特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。现实与挑战
具有类脑功能的人工系统(神经形态设备)的发展正在迅速扩大，在神经形态计算、生物激发的感觉运动实现、脑机接口和神经义肢等方面展现出广阔的应用前景。目前为止，已经实现了具有不同模式的神经形态功能，并初步尝试应用。然而大多数神经形态功能的实现都是基于固态器件对电脉冲模式的模拟。对生物突触的模拟，特别是在基于溶液的环境中模拟化学突触仍然非常具有挑战性。基于流体的忆阻器在水环境中实现神经形态功能提供了一个解决思路，其与生物系统具有优越的兼容性，并且通过引入不同的化学物质赋予神经形态装置更多的功能。但目前因为水环境中的强屏蔽效应极大地阻碍了离子间相互作用，从而限制了基于流体的系统中记忆的形成，在水介质中实现神经形态功能仍然是一个长期的挑战。
生物启发新思路
基于此，中科院化学所毛兰群研究团队受生物离子通道通过空间限制和分子识别来控制离子通量，起到天然忆阻器的作用的启发(图1A)，通过表面引发的原子转移自由基聚合，将PimB生长在玻璃微型或纳米颗粒的内壁上，设计并制造了一种基于电荷密度高，化学性质丰富，能够识别不同的阴离子聚咪唑刷(PimB)限制流体通道(图1B)。在电场或化学物质的刺激下，PimB内外阴离子浓度平衡和电荷平衡的建立会滞后，导致历史依赖的离子记忆。这种聚电解质受限流体忆阻器(PFM)，成功实现各种神经形态功能，不仅可以模拟电脉冲模式，还成功模拟化学-电信号转导。论文以《Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor》题发表在Science上。
研究结论
在器件上施加三角波电压，研究电流-电压(I-V)关系。由于锥形通道的几何不对称性和带正电荷的PimB的阴离子选择性，用改良的微管记录校正后的I-V曲线(图1C)。在非零交叉点电压(Vcp)的周期电压下采集的夹紧I-V曲线满足历史依赖忆阻器特性。Vcp偏移源于非对称通道中表面电荷的影响，这通常用于生物忆阻器。相比裸露的微量移液器只产生线性欧姆I-V曲线(图1C)，表明PimB在这个压缩滞回回路中的重要作用。进一步研究了电流对电压扫描频率的依赖性。I-V曲线经历了从低扫描速率下的滞回和整流形式到高扫描速率下的类线性形式的转变(图1D)。磁滞回线内的面积(S)随着扫描速率(ν)的增加而缩小，并在无限扫描速率时退化为零(图1E)。随频率增加而减小的回线面积以及无限频率下的线性I-V关系满足忆阻器的三指纹。为了探索PFM记忆性行为的起源，对不同恒定偏置电压下的离子电导率进行了动态监测(图1F)。在电压等于Vcp时，PFM随时间保持静态离子电导率。在高于Vcp的电压下，电导率逐渐增加后达到一个平台，而在低于Vcp的电压下，电导率下降到持平。这证实了PFM离子电导率的变化是一个随时间变化的过程。电导率的变化与离子在通道内的动态分布密切相关，研究使用有限元建模(FEM)来描述在不同偏置电压下离子分布随时间的变化。模拟结果与恒定偏置电位下离子电导率的时间分布匹配(图1F)，表明负离子（Cl−）进出PimB的相对缓慢的扩散动力学导致了依赖时间的离子记忆，从而导致了器件的记忆行为。
为了模拟短期塑性(STP)电脉冲模式，对PFM施加成对电压脉冲，并根据脉冲刺激记录电流峰值。+2或-2 V的连续脉冲诱导电流增加，形成成对脉冲促进(PPF，图2A)或成对脉冲抑制(PPD，图2B)，验证了PFM模拟STP电脉冲的能力。相同脉冲电压波形下的离子动力学有限元模拟再现了相似的电流变化趋势(图2C)，进一步证明STP电脉冲起源于PFM中随时间变化的离子重分布。PFM的保留时间(tr，定义为ΔI下降到最大ΔIΔt=tr=5%ΔIΔt=0的5%的脉冲间隔)。对于某一电压脉冲刺激，计算tr为~ 500ms(图2D)，与生物系统中STP的值相当。进一步验证了PFM模拟感觉神经元动态过滤功能的能力。通过施加一个负电压脉冲序列，脉冲频率范围为1-100 Hz (图2E)，得到频率相关的电导率(图2F)。此外，编程电压脉冲导致模拟离子电导率在100个连续状态之间切换。该设备在经过30000次设置-重置测试后仍保持良好的性能，证明了PFM的耐用性。与大多数报道的需要高电压的忆阻器相比，PFM可以在低电压和低能耗的生物系统下工作，证明了其在生物激发的感觉运动实现和神经修复术中的应用潜力。
神经元在复杂的化学环境中工作，其中离子和分子为所有神经活动奠定了基础。通过调节皮姆-阴离子相互作用，用PFM模拟化学调制效应。在不同电解质溶液(NaCl、NaBF4、NaClO4)中收集的I-V曲线说明了磁滞回线面积(S)与阴离子种类的关系(图3A)，研究了不同阴离子对STP的化学调控。与NaCl水溶液相比，NaBF4溶液中的PFM表现出更强的PPF，而PPD则略有减弱(图3B-C)。而这两种影响在NaClO4溶液中都被减弱。不同阴离子种类的双指数动态曲线(图3D)表明，tr与化学环境有关。在正电压脉冲和负电压脉冲刺激下：tr（NaClO4）<t< span="">r（NaBF4）<t< span="">r（NaCl）。为了深入了解离子种类或浓度与PFM STP性能之间的依赖机制，使用移液器尖端的杜欣数(Du0)来评估系统中表面电导率的变化。Du0越大，说明参与离子重分配的阴离子越多，记忆效应越强。对于水合能越大的阴离子，Du0值越大。Cl−水合能最高，Du0值最大(图3D)。对于水合能较低的离子（BF4−和ClO4−）参与PFM中离子再分配的移动阴离子减少缩短了tr。受化学调节的STP变化有望通过多种离子物种的协同作用实现神经形态功能，这对于固态系统几乎是不可能的。进一步利用生物活性分子在温和电压脉冲刺激的复杂环境中调节STP模式。在生理电解质中，PFM在10个电压脉冲的刺激下保持STP特性(图3F)，验证了PFM在生物环境中的作用。当向溶液中加入三磷酸腺苷(ATP)时，观察到电导率变化降低(图3F)，tr从156 ms变到138 ms(图3G)。鉴于其神经可塑性行为是由生物活性分子控制的，PFM可能允许与生物系统直接连接和通信。</t<></t<><t< span=""><t< span="">
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对于生物系统，化学突触上的信号转导是由神经递质的释放和识别介导的(图4A)。对于具有易于调整配置的基于流体的器件，这种化学-电信号转导可以通过调节PimB限制通道中多个离子物种的行为来实现。为了实现这一目标，一根由微注入泵控制的毛细管被插入到PFM的内部溶液中，作为传递化学刺激的突触前神经元。当化学刺激(ClO4−)反向注入微管时，观察到类似于神经递质诱导的神经尖峰的响应性电脉冲(图4B)。当ClO4−从毛细管中释放出来，在电泳和对流流的驱动下输送到敏感尖区，由于Pim与ClO4−相互作用增强，形成Pim-ClO4−对，使有效表面电荷密度降低，进一步阻碍了PimB层中阴离子的消耗，导致负压下离子电流增大。当电泳和电渗透流驱动Cl−向尖端移动，Pim-ClO4−的解离使电流恢复到初始状态，模拟了变送器的间隙(图4C-D)。PFM显示了单独完成从特定物种的化学刺激到电脉冲信号的转导的能力。此外，化学刺激诱导的离子电流脉冲表现出典型的峰值潜伏行为，真实神经元中的尖峰潜伏期行为在用尖峰计时编码输入强度方面起着关键作用，这为基于PFM编码化学刺激提供了可能性。
结语与展望
研究利用具有典型记忆电阻器指纹特征的聚电解质受限流控结构，证明了一种具有神经形态功能的流体忆阻器。与基于其他机制的神经形态装置相比，基于流体的装置不仅具有与生物系统相当的性能，而且具有更先进的神经形态功能，特别是与化学相关的功能，具有神经形态功能的多样性，多种离子载体的调节和共存的可能性，以及与生物系统的方便接口的优势。但是，实现长期的可塑性功能是基于流体的系统的一个重要挑战，引入更强的界面识别相互作用可能有望实现延长离子记忆的目标。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9150Tianyi Xiong et al. Neuromorphic functions witha polyelectrolyte-confined fluidic memristor.Science 379, 156–161 (2023).DOI：10.1126/science.adc9150
