科学家使用超薄二维材料，成功开发高度可扩展人工突触

近日，新加坡科技大学（SUTD）的一个研究小组开发了一种基于二维（2D）材料的新型人工突触，可用于高度可扩展的类脑计算。

模仿人脑功能的类脑计算，因为其在人工智能中有重要用途和低能耗特点，已经引起了科学界的极大关注。为了让受脑启发的计算发挥作用，记住两个神经元之间连接的突触是必要的，就像人脑一样。

在发育中的大脑里，突触可以分为功能性突触（functional synapses）和沉默性突触（silent synapses）。对于功能性突触，突触是活跃的，而对于沉默性突触，突触在正常条件下是不活跃的。

当沉默性突触被激活时，它们可以帮助优化神经元之间的连接。然而，由于建立在数字电路上的人工突触，通常占据较大的空间，因此在硬件效率和成本方面存在一定的限制。人脑包含大约一百万亿个突触，因此需要提高硬件成本，才能将其应用于智能便携式设备和物联网中。

为了解决这个问题，研究团队使用二维材料模拟了功能性和沉默性突触的行为。此外，这个人工突触首次证明了，它可以用同一个设备来实现功能性和沉默性突触的功能。

研究人员表示，通过使用超薄二维材料，将功能性突触和沉默性突触集成到同一个设备中，人工突触的硬件成本将大大降低，这将推动脑启发硬件的商业化。

从神经生物学的角度来看，沉默性突触在突触前神经元接受连续刺激时不会产生兴奋行为，因为它们含有N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体，但它们缺乏α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑-丙酸（AMPA）受体。然而，沉默性突触可以被激活，成为功能性突触，在连续刺激后插入AMPA受体，对刺激作出反应。

通过插入AMPA受体激活沉默性突触的生物机制，给研究人员带来了启发。他们通过在二维硒化铟材料系统中引入硫阴离子，可以实现设备中沉默性突触到功能性突触的转变。

硒化铟中的硫阴离子可以在电场下迁移并表现出功能性突触的可塑性。这种基于完全硫酸盐化的系统装置，在室温下显示出明显的记忆行为，可以用来实现功能性突触。通过改变温度，使用部分硫化类型的系统，可以证明沉默性突触被激活。

题为Activating Silent Synapses in Sulfurized Indium Selenide for Neuromorphic Computing的相关研究论文发表在《ACS应用材料与界面》（ACS Applied Materials and Interfaces）上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c19062