一种受生物启发的光电化学突触，用于神经递质介导的传感器内计算

《Biosensors and Bioelectronics》：A Bioinspired Photoelectrochemical Synapse for Neurotransmitter-Mediated In-Sensor Computing

　　

寇博涵|袁成|韩子墨|肖澳|黄玉婷|赵薇薇|徐静娟

中国南京大学化学学院生命科学分析化学国家重点实验室，南京210023

摘要

光电化学（PEC）为水相神经突触模拟提供了一种新兴的技术范式。在此，我们设计了一种受生物启发的PEC突触，它结合了光学感知功能与真实神经递质谷氨酸的生物传感功能，用于实现视觉型传感器计算。该突触能够实现基于谷氨酸的可调兴奋性与抑制性信号所带来的短期及脉冲依赖性可塑性，进而形成可用于传感器内预处理以及卷积神经网络的谷氨酸可调卷积核。这项工作首次实现了PEC传感器内处理以及基于真实神经递质的视觉型计算。

引言

人类神经系统的卓越功能推动了具有生物真实特性的神经形态设备的快速发展。（Kudithipudi等人，2025；Wang等人，2023）其中，视觉型光电子学旨在通过模仿人类的视觉感知与处理机制来模拟人类视觉功能。（Gu等人，2020；Song等人，2013）尽管固态光电子学已取得显著进展，但在高级仿生方面仍存在诸多挑战，比如数据冗余问题以及大量存储空间的需求。（Iqbal等人，2025；Tan和van Dijken，2024）出现这种差异的原因是它们的工作原理与生物系统有着根本不同。（Wang等人，2024a；Zhu等人，2024）具体而言，在人类视网膜中，作为光感受器的锥细胞能够将光信号转化为电化学信号。（Eldred等人，2018）锥细胞释放出的神经递质谷氨酸会触发双极细胞产生兴奋性或抑制性信号，从而对这些信号进行加工处理，实现视觉信息的预处理。（Hosoya等人，2005）之后，这些信息会被传递到视觉皮层进行更高层次的处理，如学习与计算，在此过程中神经网络会动态调整神经递质，更新突触连接的权重，从而实现学习功能并完成计算任务。（Sakamoto等人，2018）然而，由于传统固态光电子学通常缺乏生物传感功能，因此这些特性很难在其上实现。（He等人，2023）在这种背景下，人们越来越倾向于利用具有生物核心机制的水相神经形态工程技术，其中两端式纳米流体忆阻器（Pang等人，2026；Robin等人，2023；Xiong等人，2023；Yu等人，2024）以及三端式电解质门控晶体管（EGTs）（Cong等人，2024；Li等人，2025a）已成为该领域的有力竞争者。

光电化学（PEC）是一种在众多领域都具有广泛应用价值的技术。（Chen等人，2024；Wang等人，2021；Wang等人，2026a；Zheng等人，2026）例如，Chen等人报道了一种用于可重编程逻辑门以及加密图像传输系统的PEC器件。（Chen等人，2024）Wang等人则研制出了一种具有双向光电流特性的PEC光电探测器。（Wang等人，2021）我们还设计了用于单细胞分析的PEC生物传感器。（Ruan等人，2021；Yu等人，2023）从原理上来讲，PEC的特性源于其光-电-化学耦合的信号传导机制，这种机制能够在电解质环境中实现丰富的光-生物-物质相互作用。（Zhao等人，2014，2015）鉴于PEC在结构上与生物视觉系统中的突触相似，目前人们正在研究将其用于构建人工突触。我们及其他研究小组之前的研究已经借助EGTs实现了视觉型突触的功能。（Corrado等人，2023；Druet等人，2023；Huang等人，2025b；Kang等人，2025；Li等人，2025b；Li等人，2026；Liu等人，2025；Lou等人，2026；Wang等人，2025；Wu等人，2025；Xiao等人，2026）最近，Liu等人探索了一种具备双模式突触可塑性以及化学调控神经形态功能的PEC突触。（Liu等人，2024b）Zhang等人则报道了一种通过电解质介导的光化学动力学作用来实现生物真实神经形态视觉功能的PEC突触。（Zhang等人，2026）这些研究为水相环境中的神经突触模拟开辟了新的技术路径。

传感器内计算技术通过在传感器内部集成传感、存储以及实时信息处理功能，已经取得了显著进展。（Mennel等人，2020；Zhou等人，2019）由于可以在传感终端直接进行计算，传感器内计算技术不仅效率更高，还能降低能耗，同时由于无需数据进行传输或进行模数转换，因此也能提升数据安全性。（Ouyang等人，2024；Yuan等人，2026；Zhou等人，2023）迄今为止，传感器内计算技术在视觉、触觉、嗅觉以及味觉感官系统中都展现出了巨大潜力。（Chen等人，2025；Dang等人，2024；Huang等人，2025a；Liu等人，2024a；Wang等人，2026c）不过，正如最新的综述所指出的那样（Ren等人，2025；Wang等人，2026b；Wang等人，2024b；Zhou和Chai，2020），传感器内计算技术的发展仍然处于初级阶段。在此，我们报道了一种受生物启发的PEC突触，它能够实现基于真实神经递质的传感器内计算功能。我们通过引入GDH和GluOx修饰机制，使得该突触能够产生相反的谷氨酸响应，从而实现了：（i）具有ON/OFF光响应特征的谷氨酸介导的突触可塑性，（ii）可用于传感器内预处理的谷氨酸可调内核，（iii）在卷积神经网络中实现由谷氨酸驱动的权重更新功能。

章节节选

化学品与材料

2-甲基咪唑、四水合硝酸镉（Cd(NO₃)₂•4H₂O）、六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂•6H₂O）、乙二胺（C₂H₄(NH₂)₂，简称EDA）、硫代乙酰胺（TAA）、三乙胺、甲醇以及乙醇均购自中国阿拉丁试剂公司。GluOx和GDH则由中国西格玛-奥德里奇试剂公司提供。

CCS的制备

CdCo-MOF前驱体是通过将1.402克四水合硝酸镉、2.98克2-甲基咪唑、5.1毫升三乙胺以及75毫升甲醇混合后溶解而制得的。该混合溶液

PEC突触的设计

图1a展示了人类视网膜的典型分层结构，其中各种细胞以层级化的方式相互连接。在生物视网膜中，双极细胞负责将光感受器与视网膜神经节细胞相连，同时将视觉信号从外层视网膜传递到内层视网膜。ON型和OFF型双极细胞表达不同类型的谷氨酸受体，因此会对光感受器释放出的谷氨酸产生相反的反应。ON型双极细胞主要表达兴奋性谷氨酸受体，从而

结论

综上所述，基于纯PEC工艺，我们设计了一种能够整合光学感知功能与谷氨酸生物传感功能的PEC突触，该突触可在水相电解质环境中实现基于谷氨酸的传感器内计算功能。经过酶功能化处理的这种双极PEC突触具备特定的谷氨酸传感能力，这为其实现谷氨酸介导的短期及脉冲依赖性可塑性提供了基础，其表现与人类视网膜的功能极为相似。我们进一步利用这一生物真实的特性，构建出了具有谷氨酸可调性的

CRediT作者贡献说明

徐静娟：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。赵薇薇：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。黄玉婷：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法设计、实验研究。肖澳：撰写——审阅与编辑、实验研究。韩子墨：方法设计、实验研究、数据整理。袁成：撰写——初稿、方法设计、实验研究、数据整理。寇博涵：撰写——

利益冲突声明

我们声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

?作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本项工作得到了中国国家自然科学基金的财政支持（项目编号：22374066）。