化学门控可重构纳米流体突触实现形态可塑性及类神经声音识别

《Nano Letters》：Chemically Gated Reconfigurable Nanofluidic Synapse Enables Metaplasticity and Neuromorphic Sound Recognition

　　

摘要

可塑性调节机制，即对突触可塑性的适应性调控，是生物信息处理的基础，但在人工系统中实现这一机制仍面临挑战，尤其是在流体环境中。在此，我们通过开发一种基于氧化石墨烯的纳米流体突触来应对这一挑战，这种突触具备可重新配置的可塑性，且可以通过外部离子信号来可逆地调节突触可塑性。具体而言，通过调节电解质中的三价Y³⁺离子浓度，该装置能够在同一物理结构中切换不同的突触可塑性形式。实验与理论分析表明，Y³⁺在纳米通道表面的迁移会改变表面电荷，进而影响K⁺和Cl^–的传输速率，从而实现可调控的突触动态。因此，Y³⁺浓度可作为先前的上下文信号，为突触对后续电刺激的反应做好准备，进而实现化学调控下的可塑性调节。最后，通过使用具有不同可塑性的装置，我们构建了一个神经形态声音识别系统，其准确率显著高于使用统一突触的系统。