新智元編譯

此前的大多數人工突觸只能傳遞一種類型的信號

人工智慧發展面臨的最大挑戰之一就是理解人類的大腦，並弄清楚如何模仿人類的大腦。近日，ACS Nano 刊登了一份研究報告，研究者稱他們已經開發出能夠模擬我們神經系統基本功能的人工突觸，能夠從同一「突觸前」末端（terminal）釋放抑制和刺激信號。

人類神經系統由超過100萬億個突觸組成，這樣的結構允許神經元通過電信號和化學信號傳遞信息。對於哺乳動物來說，這些突觸可以啟動和抑制生物信息。許多突觸只中繼一種類型的信號，還有一些則可以同時傳送兩種類型的信號，或者可以在兩者之間切換。為了開發更好地模仿人類學習、認知和圖像識別的人工智慧系統，研究人員在實驗室中利用電子元件模擬突觸。然而，此前的大多數人工突觸只能傳遞一種類型的信號。所以，包括來自南加州大學的 Han Wang、佛羅里達大學的Jing Guo、北航材料科學與工程學院的 Cheng Chang 和 Li-Dong Zhao 在內的多位研究者試圖創造一個人工突觸，可重置地發送刺激和抑制信號。

研究人員開發了一種可以根據設備輸入端上施加的電壓重新配置的突觸裝置。由黑磷和硒化錫製成的接頭可以實現興奮性和抑制性信號之間的切換。這種新設備靈敏、適應性強，在人工神經網路中是非常需要的。此外，人工突觸可以簡化模擬神經系統的設計和功能。

研究者表示，這項研究得到了美國國家科學基金會（National Science Foundation）和美國陸軍研究辦公室（Army Research Office）的資助。

關於美國化學學會：美國化學學會（ACS）是美國國會特許的非營利組織。ACS 是世界上最大的學會，是通過其多個資料庫、同行評議的期刊和科學會議提供化學相關研究入口的全球領導者。ACS 不進行研究，而是發布和公布同行評議的科學研究。其主要辦公室位於 Washington,D.C., and Columbus, Ohio 。

論文摘要

興奮性和抑制性突觸後電位是突觸反應的兩個基本類別，也是哺乳動物神經系統各種功能的基礎。神經科學的最新進展揭示了谷氨酸和GABA 神經遞質從腹側被蓋區的神經元中的單個軸突末端（terminal）共同釋放（co-release），這可導致興奮性和抑制性作用之間突觸後電位的重新配置。

在常規場效應晶體管型和憶阻型人工突觸裝置中，缺乏在半導體器件中模擬生物突觸的這些特徵的能力。而這種能力可以增強神經形態電子系統在執行諸如圖像識別、學習和認知等任務中的功能性和多功能性。

本研究展示了一種人工突觸裝置的概念，一種雙極結突觸裝置，它利用兩層半導體材料——黑磷和硒化錫——之間的異質結的可調諧電子特性來模擬突觸連接的不同狀態，從而實現興奮性和抑制性突觸後效應之間的動態可重構性。 這種裝置僅依賴於突觸前或突觸後末端處的電偏壓來促進這種動態可重構性。它與其常規的異型突觸裝置在其操作特性和生物等效性方面截然不同。突觸的關鍵性質，如增強和抑鬱以及 spike-timing-dependent 的可塑性，在設備中都被模擬為興奮性和抑制性反應模式。該設備提供重置屬性，具有實現基於硬體的人工神經網路中的有用功能的潛力。

在神經科學中，興奮性突觸後電位是突觸後膜的短時去極化，其使突觸後神經元更可能發射動作電位。相反，抑制性突觸後電位抵消興奮性作用，並使突觸後神經元不太可能發射。突觸效應的類型，無論是興奮性還是抑制性，都是由突觸前神經元釋放的特異性神經遞質激活的突觸後神經元中的離子通道的類型決定的。最近的一項研究表明，從位於腹部被蓋區的神經元中的單個軸突末端共同釋放的谷氨酸和 γ-氨基丁酸（GABA），興奮性和抑制性快速神經遞質，使得興奮性和抑制性突觸後電位根據突觸前和突觸後神經元的狀態在相同的突觸產生。其他研究也表明，在哺乳動物腦部發育過程中，某些帶有 GABA 神經遞質神經元的突觸活動可以從興奮性轉變為抑制性。

在模擬其生物對應部位功能的人工突觸中，通常需要在興奮性和抑制性功能之間對同一突觸進行重新配置。重新配置單個突觸單元中突觸效應的能力可以為人工神經網路和神經形態系統的設計提供所需的靈活性和多功能性。然而，在單個固態器件中難以實現突觸效應的這種可重構性。建立人工突觸的傳統方法通常基於迴路設計，用10-20 個晶體管構成一個突觸。傳統的憶阻器型和晶體管型人工突觸可以在單個半導體器件中實現突觸功能，但缺乏在不增加調製端子的情況下在興奮性和抑制性反應之間動態重置的能力。

而這一研究則提出可以使用黑磷（BP）和硒化硒（SnSe）之間形成的可調諧異質結，來模擬共同釋放（co-release）興奮性和抑制性神經遞質的生物突觸，並實現興奮性和抑制性突觸效應之間的這種可重構性。突觸行為可以通過設備的輸入和輸出端的靜電偏壓進行動態調整。該裝置與先前展示的異源性突觸裝置在其操作特性和生物等效性方面有明顯的不同。異源性突觸裝置通常依賴於第三活性末端（third active terminal）來調節突觸反應，並且類似受外部神經調質影響的生物突觸.

原文鏈接：https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2017/june/hacking-the-human-brain-lab-made-synapses-for-artificial-intelligence.html

論文地址：http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.7b03033

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