【北航新型人工突触】能模拟人类神经系统基本功能的人工突触诞生

【新智元导读】近日 ACS Nano 刊登了一项研究报告,称已开发出能够模拟我们神经系统基本功能的人工突触,能够从同一“突触前”末端释放抑制和刺激信号。这项研究有包括北航材料科学与工程学院研究人员在内的多位华人研究者参与。

此前的大多数人工突触只能传递一种类型的信号

人工智能发展面临的最大挑战之一就是理解人类的大脑,并弄清楚如何模仿人类的大脑。近日,ACS Nano 刊登了一份研究报告,研究者称他们已经开发出能够模拟我们神经系统基本功能的人工突触,能够从同一“突触前”末端(terminal)释放抑制和刺激信号。

人类神经系统由超过100万亿个突触组成,这样的结构允许神经元通过电信号和化学信号传递信息。对于哺乳动物来说,这些突触可以启动和抑制生物信息。许多突触只中继一种类型的信号,还有一些则可以同时传送两种类型的信号,或者可以在两者之间切换。为了开发更好地模仿人类学习、认知和图像识别的人工智能系统,研究人员在实验室中利用电子元件模拟突触。然而,此前的大多数人工突触只能传递一种类型的信号。所以,包括来自南加州大学的 Han Wang、佛罗里达大学的Jing Guo、北航材料科学与工程学院的 Cheng Chang 和 Li-Dong Zhao 在内的多位研究者试图创造一个人工突触,可重置地发送刺激和抑制信号。

研究人员开发了一种可以根据设备输入端上施加的电压重新配置的突触装置。由黑磷和硒化锡制成的接头可以实现兴奋性和抑制性信号之间的切换。这种新设备灵敏、适应性强,在人工神经网络中是非常需要的。此外,人工突触可以简化模拟神经系统的设计和功能。

研究者表示,这项研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)和美国陆军研究办公室(Army Research Office)的资助。

关于美国化学学会:美国化学学会(ACS)是美国国会特许的非营利组织。ACS 是世界上最大的学会,是通过其多个数据库、同行评议的期刊和科学会议提供化学相关研究入口的全球领导者。ACS 不进行研究,而是发布和公布同行评议的科学研究。其主要办公室位于 Washington,D.C., and Columbus, Ohio 。

论文摘要

兴奋性和抑制性突触后电位是突触反应的两个基本类别,也是哺乳动物神经系统各种功能的基础。神经科学的最新进展揭示了谷氨酸和GABA 神经递质从腹侧被盖区的神经元中的单个轴突末端(terminal)共同释放(co-release),这可导致兴奋性和抑制性作用之间突触后电位的重新配置。

在常规场效应晶体管型和忆阻型人工突触装置中,缺乏在半导体器件中模拟生物突触的这些特征的能力。而这种能力可以增强神经形态电子系统在执行诸如图像识别、学习和认知等任务中的功能性和多功能性。

本研究展示了一种人工突触装置的概念,一种双极结突触装置,它利用两层半导体材料——黑磷和硒化锡——之间的异质结的可调谐电子特性来模拟突触连接的不同状态,从而实现兴奋性和抑制性突触后效应之间的动态可重构性。 这种装置仅依赖于突触前或突触后末端处的电偏压来促进这种动态可重构性。它与其常规的异型突触装置在其操作特性和生物等效性方面截然不同。突触的关键性质,如增强和抑郁以及 spike-timing-dependent 的可塑性,在设备中都被模拟为兴奋性和抑制性反应模式。该设备提供重置属性,具有实现基于硬件的人工神经网络中的有用功能的潜力。

在神经科学中,兴奋性突触后电位是突触后膜的短时去极化,其使突触后神经元更可能发射动作电位。相反,抑制性突触后电位抵消兴奋性作用,并使突触后神经元不太可能发射。突触效应的类型,无论是兴奋性还是抑制性,都是由突触前神经元释放的特异性神经递质激活的突触后神经元中的离子通道的类型决定的。最近的一项研究表明,从位于腹部被盖区的神经元中的单个轴突末端共同释放的谷氨酸和 γ-氨基丁酸(GABA),兴奋性和抑制性快速神经递质,使得兴奋性和抑制性突触后电位根据突触前和突触后神经元的状态在相同的突触产生。其他研究也表明,在哺乳动物脑部发育过程中,某些带有 GABA 神经递质神经元的突触活动可以从兴奋性转变为抑制性。

在模拟其生物对应部位功能的人工突触中,通常需要在兴奋性和抑制性功能之间对同一突触进行重新配置。重新配置单个突触单元中突触效应的能力可以为人工神经网络和神经形态系统的设计提供所需的灵活性和多功能性。然而,在单个固态器件中难以实现突触效应的这种可重构性。建立人工突触的传统方法通常基于回路设计,用10-20 个晶体管构成一个突触。传统的忆阻器型和晶体管型人工突触可以在单个半导体器件中实现突触功能,但缺乏在不增加调制端子的情况下在兴奋性和抑制性反应之间动态重置的能力。

而这一研究则提出可以使用黑磷(BP)和硒化硒(SnSe)之间形成的可调谐异质结,来模拟共同释放(co-release)兴奋性和抑制性神经递质的生物突触,并实现兴奋性和抑制性突触效应之间的这种可重构性。突触行为可以通过设备的输入和输出端的静电偏压进行动态调整。该装置与先前展示的异源性突触装置在其操作特性和生物等效性方面有明显的不同。异源性突触装置通常依赖于第三活性末端(third active terminal)来调节突触反应,并且类似受外部神经调质影响的生物突触.

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

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

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2017-07-07

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