通过控制硒化铟晶体的硫化实现对功能性突触的沉默激活

从沉默到功能性突触的转变伴随着人类大脑发育的进化过程，对于进化人工神经网络的硬件实现至关重要，但对于模仿沉默到功能性突触激活仍然是一个挑战。

在这里，我们开发了一种简单的方法，通过控制化学气相沉积生长的硒化铟晶体的硫化，成功地实现了对功能性突触的沉默激活。

其潜在机制归因于硫化引入的硫阴离子的迁移。最重要的发现之一是功能性突触行为可以通过硫化程度和温度来调节。

此外，在部分硫化的功能性突触器件中成功实现了基本的突触功能包括增强/抑制、双脉冲易化、脉冲速率依赖可塑性。在层状硒化物中引入硫阴离子的简单方法为实现沉默突触的激活开辟了一条有效的新途径，可用于进化人工神经网络。

除了功能性突触外，还有另一种类型的突触，即沉默突触，它在刺激时不会显示出任何突触可塑性。

即便如此，沉默突触在人类的神经系统发育中起着深远的作用。众所周知，基于生物逼真的突触可塑性的人工神经网络（ANN）已被广泛用于许多应用中。

将ANN和进化算法相结合的进化ANN可以实现增强的人工智能，这涉及生物系统中沉默到功能突触的激活。

因此，对于未来人类大脑发育的机制和进化ANN的硬件实现，实现从沉默突触到功能性突触的转变，具有很强的生物学和实践需求。虽然它对大脑启发的计算至关重要，但很少有人尝试模仿沉默突触的激活。

从材料的角度来看，模拟沉默突触活化的最有效方法是改性沟道材料。

图1 沉默突触活化的生物学机理及其通过调节硫化程度的硬件实现。

（a）代表性的基于硒化铟器件的示意图和光学显微镜图像。比例尺长度为2μm。

（b）突触前和突触后神经元之间生物化学突触的示意图，可通过硬件中基于硒化铟器件实现。

（c-e）室温下基于未硫化硒化铟、部分硫化、完全硫化硒化铟器件的五个连续循环的 I–V 曲线。随着硫化程度的增加，器件逐渐表现出忆阻行为，模仿沉默到功能性突触的激活。

（f-h）提出的通过引入硫阴离子从沉默突触到功能性突触转变的机理。

图2 通过调节温度激活部分硫化样品中的沉默突触。

（a）生物逼真的沉默和功能性突触示意图。沉默突触含有NMDA，但缺乏AMPA受体，这导致突触后神经元的信号转导失败。

（b-d）部分硫化样品在不同温度下的连续循环的I-V曲线，表明随着温度的升高，忆阻行为增强。

（e–g）横截面、低放大倍率和高分辨率透射电镜图像以及部分硫化样品的相应EDS图谱。

图3 在高温下在部分硫化样品中实现突触可塑性。

（a） 用单个脉冲（50 mV/50 μs）研究刺激性突触后电流曲线。

（b）相同脉冲序列作用下的电导变化和线性。脉冲幅度、宽度和间隔时间分别为1 V、0.5 ms和1.0 ms。

（c, d）对基于In2Se1.4S1.6忆阻器件施加双脉冲和10个连续脉冲（1 V/0.5 ms）得到的双脉冲易化和强直后增强效应。

（e） 通过施加具有相同幅度（5 V）但频率不同（10、12、17和200 Hz）的脉冲序列，实现频率依赖性增强和抑制行为。

（f）兴奋性突触后电流与具有不同脉冲频率的脉冲数的依赖关系，模仿生物突触的增强/抑制行为。

图4 室温下在完全硫化的样品中实现突触可塑性。

（a）用单个脉冲（50 mV/0.5 ms）研究刺激性突触后电流曲线。

（b）相同脉冲序列作用下的电导变化。

（c, d）对基于完全硫化样品In2S3忆阻器件施加双脉冲和10个连续脉冲（1 V/0.5 ms）得到的双脉冲易化和强直后增强效应。

文章的研究内容主要还是集中在材料和器件性能的表征，包括突触功能的实现，比较少关注到突触的其他性能，以及突触器件在神经形态计算中集成问题。

审核编辑：刘清