作者：XT 編審：寇建超

排版：王落塵

在生物電子學和腦機接口（BCI）研究領(lǐng)域，模擬人腦的學習過程（比如聯(lián)想學習）已成為一個重要的研究方向。

聯(lián)想學習是提高個人適應能力的一項關(guān)鍵學習原則，也是近年來科學家們在類腦計算領(lǐng)域的一個研究重點。關(guān)于聯(lián)想學習，有一個著名的實驗 “巴甫洛夫的狗” ，心理學家巴甫洛夫（Ivan Pavlov）在研究無條件反射和條件反射時，用狗做了這樣一個實驗：每次給狗送食物前先打開紅燈、響起鈴聲，經(jīng)過一段時間后，一旦鈴聲一響或紅燈一亮，狗就會開始分泌唾液。

（來源：維基百科）

為了模擬聯(lián)想學習，研究具有非易失性存儲特性的有機突觸晶體管是必不可少的一環(huán)，但現(xiàn)有技術(shù)存在偏置方案復雜、高寫入電壓以及過程不可逆性，嚴重阻礙了聯(lián)想學習電路的進一步發(fā)展，且可以模仿聯(lián)想學習的有機電化學裝置也非常少。

近日，來自香港大學和美國西北大學（Northwestern University）的研究人員在聯(lián)想學習方面取得了新的突破，他們開發(fā)出一種類似大腦的計算設備，該設備能夠通過聯(lián)想學習。與 “巴甫洛夫的狗” 實驗相類似，研究人員通過調(diào)節(jié)電路，成功地將光與電壓關(guān)聯(lián)起來。

在該研究中，研究人員設計出了一種新穎的有機電化學 “突觸晶體管”，它可以像人腦一樣同時處理和存儲信息。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期可塑性，在記憶的基礎上不斷學習。

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

（來源：Nature Communications）

研究人員表示，憑借系統(tǒng)類似大腦的能力，這種新型晶體管和電路有望突破傳統(tǒng)計算系統(tǒng)的局限性，包括其耗能的硬件和無法同時執(zhí)行多個任務的有限能力。這種類似大腦的設備還具有更高的容錯性，即使在某些部件出現(xiàn)故障時也能繼續(xù)順利運行。

該研究論文的通訊作者之一、西北大學生物醫(yī)學工程助理教授 Jonathan Rivnay 表示：“盡管現(xiàn)代計算機已經(jīng)非常出色，但在一些復雜的、非結(jié)構(gòu)化的任務中，比如模式識別、運動控制和多傳感器集成任務，人腦可以輕易地勝過它們。這要歸功于突觸的可塑性，它是大腦計算能力的基本組成部分，能使大腦以高度并行、容錯和節(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)鍵功能的有機塑料晶體管?！?/span>

人腦的奧秘：神經(jīng)突觸可塑性

人體大腦是一個高度復雜的系統(tǒng)，包含上千億個神經(jīng)元，神經(jīng)元之間或神經(jīng)元與其他細胞之間依靠上百萬億個神經(jīng)突觸，得以實現(xiàn)信號傳遞和信息交換，并形成高度并行、容錯、高效、可重構(gòu)的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。

神經(jīng)突觸具有很強的可塑性，通過特定模式的突觸活動，其連接強度、形態(tài)和功能都可以發(fā)生短期或長期的改變。突觸可塑性是大腦神經(jīng)突觸的一個重要特征，也是人腦學習和記憶的生物學基礎，豐富多樣的突觸可塑性使得神經(jīng)突觸在進行信息處理時表現(xiàn)出不同的功能。

在傳統(tǒng)的數(shù)字計算系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理和存儲單元是物理分離的，以致于在處理數(shù)據(jù)密集型任務時需要消耗大量的能量。近年來，受人腦中計算和存儲過程集結(jié)合的啟發(fā)，科學家們試圖開發(fā)出更像人腦一樣運行的計算機，并配備功能類似于神經(jīng)元網(wǎng)絡的設備。

（來源：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，我們使用的計算機系統(tǒng)的工作方式是，內(nèi)存和邏輯單元是物理隔離的。每執(zhí)行一次運算，系統(tǒng)會將信息發(fā)送到存儲單元；之后每次想要檢索信息時，計算機都必須回憶它。如果我們能把這兩個獨立的功能結(jié)合在一起，則可以節(jié)省運算空間和能量成本?！?/span>

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

Rivnay 說：“即使是高性能的有機電化學突觸晶體管，也要求將寫操作與讀操進行解耦。因此，如果想要保留內(nèi)存，就必須將其與寫過程斷開連接，而這種操作會使集成到電路或系統(tǒng)中的問題進一步復雜化。”

像人腦一樣：突觸式晶體管

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究團隊在有機電化學晶體管（OECT）內(nèi)優(yōu)化了一種導電塑料材料，它可以捕獲離子。在大腦中，一個神經(jīng)元可以使用稱為神經(jīng)遞質(zhì)的小分子向另一個神經(jīng)元傳遞信號。在突觸晶體管中，離子的行為類似于神經(jīng)遞質(zhì)，在終端之間發(fā)送信號以形成人工突觸。通過保留來自捕獲離子的存儲數(shù)據(jù)，晶體管可以記住以前的活動，從而形成長期的可塑性。

圖 | OECT 的電非易失性（來源：該論文）

實驗表明，該非易失性有機電化學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器件，從而簡化了基于更復雜的晶體管有源陣列的電路設計。

研究人員將單個突觸晶體管連接到一個神經(jīng)形態(tài)電路中，來模擬聯(lián)想學習，展示了其設備的突觸行為。他們將電壓和光傳感器集成到電路中，并訓練電路將兩個不相關(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期可塑性（LTP）（來源：該論文）

研究人員分別用有機電化學晶體管模擬了突觸的短期可塑性（STP）和長期可塑性（LTP）。STP 會發(fā)生突觸權(quán)重的暫時性改變，而 LTP 通過更持久地改變突觸權(quán)重來發(fā)揮其在記憶或?qū)W習中的作用，LTP 可以持續(xù)幾分鐘、幾天甚至幾年。在實驗中，通過反復給有機電化學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程。

受 “巴甫洛夫的狗” 實驗啟發(fā)，研究人員在處理神經(jīng)形態(tài)電路中，通過用手指按壓來激活一個電壓。為了使電路將光與電壓聯(lián)系起來，研究人員首先從一個 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。該設備的相應傳感器就會檢測到這兩個輸入。

圖 | 基于 OECT 的神經(jīng)形態(tài)電路，用于展示聯(lián)想學習（來源：該論文）

經(jīng)過一個訓練周期，電路在光和電壓之間建立了初步聯(lián)系。經(jīng)過五個訓練周期后，電路明顯地將光與電壓顯著關(guān)聯(lián)。實驗表明，光能夠單獨觸發(fā)一個信號或產(chǎn)生 “無條件響應”。

應用前景廣泛

研究人員表示，該研究基于有機電化學晶體管的非易失性特點，已成功展示了一種神經(jīng)形態(tài)電路，該電路可通過組合壓力傳感器、光敏電阻、易失性有機電化學晶體管和非易失性有機電化學晶體管，來模擬來自兩個物理輸入的聯(lián)想學習。

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備、智能機器人和可植入設備中，直接與活體組織甚至大腦連接。

Rivnay 說：“雖然我們的應用是概念證明，但我們提出的電路可以進一步擴展，以囊括更多的感官輸入，并與其他電子設備集成在一起，來實現(xiàn)現(xiàn)場低功耗計算。由于它與生物環(huán)境兼容性，該設備可以直接與活體組織連接，這對下一代生物電子學來說至關(guān)重要?！?/span>

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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