【儀表網 研發快訊】人類的學習和記憶能力，源于大腦神經元之間高度動態的連接結構—— 神經突觸。這些比發絲還細的結構，像智能開關般傳遞信號、動態重塑，從而實現對信息的編碼、存儲與提取，成為實現認知與行為適應的生物學基礎。
在生物神經系統中，突觸作為天然的憶阻器，依賴于納米通道中離子與神經遞質的可控傳輸，從而實現信息處理與存儲。大腦之所以能以極低的能耗完成復雜計算，關鍵在于突觸的可塑性---即其連接強度可根據活動經驗進行動態調節。在液相系統中通過可控制造重現這一效應對于研究神經網絡功能，以及推動腦機接口、生物神經形態計算的發展至關重要。
中國科學院近代物理研究所團隊與蘭州大學合作，通過二價離子篩選效應和pH 驅動的去質子化作用兩種不同的刺激機制——成功證實了仿生納米通道中的憶阻效應，為揭示大腦記憶機制及發展新型神經形態計算提供了重要的實驗依據。相關成果于12月24日發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
研究團隊基于微束單離子微納加工技術，制備出仿生納米孔道，在兩種機制的作用下，納米孔道中的傳輸對稱性破缺與表面效應協同作用導致離子傳輸呈現滯后特性。該納米流體憶阻器還模擬了生物記憶特征，包括短期/長期增強效應以及關鍵突觸功能，如雙脈沖易化和雙脈沖抑制。
基于對納米流體器件中離子電導率的可逆調控，研究人員實現了突觸權重的動態編碼---這正是神經形態系統中自適應學習行為的核心機制。為驗證其應用潛力，團隊利用該器件構建了一個用于模式識別的三層人工神經網絡，并在小型手寫數字數據集(MNIST)上進行訓練測試，識別準確率達到 94.6%，性能可與眾多固態憶阻突觸相媲美。
該論文第一作者為中國科學院近代物理研究所博士研究生Muhammad Jahangeer，通訊作者為中國科學院近代物理研究所杜廣華研究員與蘭州大學王琦教授。
該研究工作得到科技部、國家自然科學基金及中國科學院大學獎學金等支持。
圖：基于仿生納米孔道制備的納流憶阻器結構以及其突觸功能演示
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