作者：XT 編審：寇建超

排版：王落塵

在生物電子學(xué)和腦機(jī)接口（BCI）研究領(lǐng)域，模擬人腦的學(xué)習(xí)過(guò)程（比如聯(lián)想學(xué)習(xí)）已成為一個(gè)重要的研究方向。

聯(lián)想學(xué)習(xí)是提高個(gè)人適應(yīng)能力的一項(xiàng)關(guān)鍵學(xué)習(xí)原則，也是近年來(lái)科學(xué)家們?cè)陬?lèi)腦計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。關(guān)于聯(lián)想學(xué)習(xí)，有一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn) “巴甫洛夫的狗” ，心理學(xué)家巴甫洛夫（Ivan Pavlov）在研究無(wú)條件反射和條件反射時(shí)，用狗做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：每次給狗送食物前先打開(kāi)紅燈、響起鈴聲，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，一旦鈴聲一響或紅燈一亮，狗就會(huì)開(kāi)始分泌唾液。

（來(lái)源：維基百科）

為了模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)，研究具有非易失性存儲(chǔ)特性的有機(jī)突觸晶體管是必不可少的一環(huán)，但現(xiàn)有技術(shù)存在偏置方案復(fù)雜、高寫(xiě)入電壓以及過(guò)程不可逆性，嚴(yán)重阻礙了聯(lián)想學(xué)習(xí)電路的進(jìn)一步發(fā)展，且可以模仿聯(lián)想學(xué)習(xí)的有機(jī)電化學(xué)裝置也非常少。

近日，來(lái)自香港大學(xué)和美國(guó)西北大學(xué)（Northwestern University）的研究人員在聯(lián)想學(xué)習(xí)方面取得了新的突破，他們開(kāi)發(fā)出一種類(lèi)似大腦的計(jì)算設(shè)備，該設(shè)備能夠通過(guò)聯(lián)想學(xué)習(xí)。與 “巴甫洛夫的狗” 實(shí)驗(yàn)相類(lèi)似，研究人員通過(guò)調(diào)節(jié)電路，成功地將光與電壓關(guān)聯(lián)起來(lái)。

在該研究中，研究人員設(shè)計(jì)出了一種新穎的有機(jī)電化學(xué) “突觸晶體管”，它可以像人腦一樣同時(shí)處理和存儲(chǔ)信息。研究人員證明，這種晶體管可以模仿人腦中突觸的短期和長(zhǎng)期可塑性，在記憶的基礎(chǔ)上不斷學(xué)習(xí)。

相關(guān)研究以 “Mimicking associative learning using an ion-trapping non-volatile synaptic organic electrochemical transistor” 為題，發(fā)表在科學(xué)期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。

（來(lái)源：Nature Communications）

研究人員表示，憑借系統(tǒng)類(lèi)似大腦的能力，這種新型晶體管和電路有望突破傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)的局限性，包括其耗能的硬件和無(wú)法同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的有限能力。這種類(lèi)似大腦的設(shè)備還具有更高的容錯(cuò)性，即使在某些部件出現(xiàn)故障時(shí)也能繼續(xù)順利運(yùn)行。

該研究論文的通訊作者之一、西北大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程助理教授 Jonathan Rivnay 表示：“盡管現(xiàn)代計(jì)算機(jī)已經(jīng)非常出色，但在一些復(fù)雜的、非結(jié)構(gòu)化的任務(wù)中，比如模式識(shí)別、運(yùn)動(dòng)控制和多傳感器集成任務(wù)，人腦可以輕易地勝過(guò)它們。這要?dú)w功于突觸的可塑性，它是大腦計(jì)算能力的基本組成部分，能使大腦以高度并行、容錯(cuò)和節(jié)能的方式工作。在我們的工作中，我們展示了一種模仿生物突觸關(guān)鍵功能的有機(jī)塑料晶體管。”

人腦的奧秘：神經(jīng)突觸可塑性

人體大腦是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，包含上千億個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元之間或神經(jīng)元與其他細(xì)胞之間依靠上百萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)突觸，得以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞和信息交換，并形成高度并行、容錯(cuò)、高效、可重構(gòu)的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

神經(jīng)突觸具有很強(qiáng)的可塑性，通過(guò)特定模式的突觸活動(dòng)，其連接強(qiáng)度、形態(tài)和功能都可以發(fā)生短期或長(zhǎng)期的改變。突觸可塑性是大腦神經(jīng)突觸的一個(gè)重要特征，也是人腦學(xué)習(xí)和記憶的生物學(xué)基礎(chǔ)，豐富多樣的突觸可塑性使得神經(jīng)突觸在進(jìn)行信息處理時(shí)表現(xiàn)出不同的功能。

在傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)單元是物理分離的，以致于在處理數(shù)據(jù)密集型任務(wù)時(shí)需要消耗大量的能量。近年來(lái)，受人腦中計(jì)算和存儲(chǔ)過(guò)程集結(jié)合的啟發(fā)，科學(xué)家們?cè)噲D開(kāi)發(fā)出更像人腦一樣運(yùn)行的計(jì)算機(jī)，并配備功能類(lèi)似于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

（來(lái)源：Pixabay）

該研究論文的第一作者、Rivnay 小組的博士后研究人員 Xudong Ji 表示：“目前，我們使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作方式是，內(nèi)存和邏輯單元是物理隔離的。每執(zhí)行一次運(yùn)算，系統(tǒng)會(huì)將信息發(fā)送到存儲(chǔ)單元；之后每次想要檢索信息時(shí)，計(jì)算機(jī)都必須回憶它。如果我們能把這兩個(gè)獨(dú)立的功能結(jié)合在一起，則可以節(jié)省運(yùn)算空間和能量成本。”

當(dāng)前，記憶電阻或 “憶阻器（memristor）” 是最先進(jìn)的技術(shù)，可以執(zhí)行組合處理和記憶功能，但憶阻器的開(kāi)關(guān)能耗昂貴且生物相容性較差。這些缺點(diǎn)使得研究人員轉(zhuǎn)向研究突觸晶體管，尤其是有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管，這種晶體管具有低電壓、連續(xù)可調(diào)存儲(chǔ)器和高兼容性的生物應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，這一技術(shù)的挑戰(zhàn)仍然存在。

Rivnay 說(shuō)：“即使是高性能的有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管，也要求將寫(xiě)操作與讀操進(jìn)行解耦。因此，如果想要保留內(nèi)存，就必須將其與寫(xiě)過(guò)程斷開(kāi)連接，而這種操作會(huì)使集成到電路或系統(tǒng)中的問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。”

像人腦一樣：突觸式晶體管

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)在有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）內(nèi)優(yōu)化了一種導(dǎo)電塑料材料，它可以捕獲離子。在大腦中，一個(gè)神經(jīng)元可以使用稱(chēng)為神經(jīng)遞質(zhì)的小分子向另一個(gè)神經(jīng)元傳遞信號(hào)。在突觸晶體管中，離子的行為類(lèi)似于神經(jīng)遞質(zhì)，在終端之間發(fā)送信號(hào)以形成人工突觸。通過(guò)保留來(lái)自捕獲離子的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，晶體管可以記住以前的活動(dòng)，從而形成長(zhǎng)期的可塑性。

圖 | OECT 的電非易失性（來(lái)源：該論文）

實(shí)驗(yàn)表明，該非易失性有機(jī)電化學(xué)晶體管具有良好的可逆性和記憶性，避免了使用基于晶體管或憶阻器的訪問(wèn)器件，從而簡(jiǎn)化了基于更復(fù)雜的晶體管有源陣列的電路設(shè)計(jì)。

研究人員將單個(gè)突觸晶體管連接到一個(gè)神經(jīng)形態(tài)電路中，來(lái)模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)，展示了其設(shè)備的突觸行為。他們將電壓和光傳感器集成到電路中，并訓(xùn)練電路將兩個(gè)不相關(guān)的物理輸入（電壓和光）彼此關(guān)聯(lián)。

圖 | 使用 OECT 人工突觸模擬突觸長(zhǎng)期可塑性（LTP）（來(lái)源：該論文）

研究人員分別用有機(jī)電化學(xué)晶體管模擬了突觸的短期可塑性（STP）和長(zhǎng)期可塑性（LTP）。STP 會(huì)發(fā)生突觸權(quán)重的暫時(shí)性改變，而 LTP 通過(guò)更持久地改變突觸權(quán)重來(lái)發(fā)揮其在記憶或?qū)W習(xí)中的作用，LTP 可以持續(xù)幾分鐘、幾天甚至幾年。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)反復(fù)給有機(jī)電化學(xué)晶體管施加突觸前柵極電壓脈沖，研究人員模擬了大腦的記憶過(guò)程。

受 “巴甫洛夫的狗” 實(shí)驗(yàn)啟發(fā)，研究人員在處理神經(jīng)形態(tài)電路中，通過(guò)用手指按壓來(lái)激活一個(gè)電壓。為了使電路將光與電壓聯(lián)系起來(lái)，研究人員首先從一個(gè) LED 燈泡中施加脈沖光，然后立即施加電壓。在這種情況下，電壓就是食物、光就是鈴聲。該設(shè)備的相應(yīng)傳感器就會(huì)檢測(cè)到這兩個(gè)輸入。

圖 | 基于 OECT 的神經(jīng)形態(tài)電路，用于展示聯(lián)想學(xué)習(xí)（來(lái)源：該論文）

經(jīng)過(guò)一個(gè)訓(xùn)練周期，電路在光和電壓之間建立了初步聯(lián)系。經(jīng)過(guò)五個(gè)訓(xùn)練周期后，電路明顯地將光與電壓顯著關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)表明，光能夠單獨(dú)觸發(fā)一個(gè)信號(hào)或產(chǎn)生 “無(wú)條件響應(yīng)”。

應(yīng)用前景廣泛

研究人員表示，該研究基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的非易失性特點(diǎn)，已成功展示了一種神經(jīng)形態(tài)電路，該電路可通過(guò)組合壓力傳感器、光敏電阻、易失性有機(jī)電化學(xué)晶體管和非易失性有機(jī)電化學(xué)晶體管，來(lái)模擬來(lái)自?xún)蓚€(gè)物理輸入的聯(lián)想學(xué)習(xí)。

由于突觸電路是由柔軟的聚合物制成的，因此可以很容易地在柔性板上制成，并且可以輕松地集成到柔性可穿戴電子設(shè)備、智能機(jī)器人和可植入設(shè)備中，直接與活體組織甚至大腦連接。

Rivnay 說(shuō)：“雖然我們的應(yīng)用是概念證明，但我們提出的電路可以進(jìn)一步擴(kuò)展，以囊括更多的感官輸入，并與其他電子設(shè)備集成在一起，來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)低功耗計(jì)算。由于它與生物環(huán)境兼容性，該設(shè)備可以直接與活體組織連接，這對(duì)下一代生物電子學(xué)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。”

參考資料：

https://www./articles/s41467-021-22680-5#Abs1

https://www./pub_releases/2021-04/nu-nbc042721.php

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