作者：XT 編審：寇建超
排版：王落塵
在生物電子學和腦機接口（BCI）研究領域，模擬人腦的學習過程（比如聯想學習）已成為一個重要的研究方向。
聯想學習是提高個人適應能力的一項關鍵學習原則，也是近年來科學家們在類腦計算領域的一個研究重點。關于聯想學習，有一個著名的實驗 “巴甫洛夫的狗” ，心理學家巴甫洛夫（Ivan Pavlov）在研究無條件反射和條件反射時，用狗做了這樣一個實驗：每次給狗送食物前先打開紅燈、響起鈴聲，經過一段時間后，一旦鈴聲一響或紅燈一亮，狗就會開始分泌唾液。
（來源：維基百科）
為了模擬聯想學習，研究具有非易失性存儲特性的有機突觸晶體管是必不可少的一環，但現有技術存在偏置方案復雜、高寫入電壓以及過程不可逆性，嚴重阻礙了聯想學習電路的進一步發展，且可以模仿聯想學習的有機電化學裝置也非常少。
近日，來自香港大學和美國西北大學（Northwestern University）的研究人員在聯想學習方面取得了新的突破，他們開發出一種類似大腦的計算設備，該設備能夠通過聯想學習。與 “巴甫洛夫的狗” 實驗相類似，研究人員通過調節電路，成功地將光與電壓關聯起來。
在該研究中，研究人員設計出了一種新穎的有機電化學 “突觸晶體管”，它可以像人腦一樣同時處理和存儲信息。研究人員證明，這種晶體管可以模仿人腦中突觸的短期和長期可塑性，在記憶的基礎上不斷學習。
相關研究以 “Mimicking associative learning using an ion-trapping non-volatile synaptic organic electrochemical transistor” 為題，發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。
（來源：Nature Communications）
研究人員表示，憑借系統類似大腦的能力，這種新型晶體管和電路有望突破傳統計算系統的局限性，包括其耗能的硬件和無法同時執行多個任務的有限能力。這種類似大腦的設備還具有更高的容錯性，即使在某些部件出現故障時也能繼續順利運行。
該研究論文的通訊作者之一、西北大學生物醫學工程助理教授 Jonathan Rivnay 表示：“盡管現代計算機已經非常出色，但在一些復雜的、非結構化的任務中，比如模式識別、運動控制和多傳感器集成任務，人腦可以輕易地勝過它們。這要歸功于突觸的可塑性，它是大腦計算能力的基本組成部分，能使大腦以高度并行、容錯和節能的方式工作。在我們的工作中，我們展示了一種模仿生物突觸關鍵功能的有機塑料晶體管。”
人腦的奧秘：神經突觸可塑性
人體大腦是一個高度復雜的系統，包含上千億個神經元，神經元之間或神經元與其他細胞之間依靠上百萬億個神經突觸，得以實現信號傳遞和信息交換，并形成高度并行、容錯、高效、可重構的大腦神經網絡系統。
神經突觸具有很強的可塑性，通過特定模式的突觸活動，其連接強度、形態和功能都可以發生短期或長期的改變。突觸可塑性是大腦神經突觸的一個重要特征，也是人腦學習和記憶的生物學基礎，豐富多樣的突觸可塑性使得神經突觸在進行信息處理時表現出不同的功能。
在傳統的數字計算系統中，數據處理和存儲單元是物理分離的，以致于在處理數據密集型任務時需要消耗大量的能量。近年來，受人腦中計算和存儲過程集結合的啟發，科學家們試圖開發出更像人腦一樣運行的計算機，并配備功能類似于神經元網絡的設備。
（來源：Pixabay）
該研究論文的第一作者、Rivnay 小組的博士后研究人員 Xudong Ji 表示：“目前，我們使用的計算機系統的工作方式是，內存和邏輯單元是物理隔離的。每執行一次運算，系統會將信息發送到存儲單元；之后每次想要檢索信息時，計算機都必須回憶它。如果我們能把這兩個獨立的功能結合在一起，則可以節省運算空間和能量成本。”
當前，記憶電阻或 “憶阻器（memristor）” 是最先進的技術，可以執行組合處理和記憶功能，但憶阻器的開關能耗昂貴且生物相容性較差。這些缺點使得研究人員轉向研究突觸晶體管，尤其是有機電化學突觸晶體管，這種晶體管具有低電壓、連續可調存儲器和高兼容性的生物應用等優點。盡管如此，這一技術的挑戰仍然存在。
Rivnay 說：“即使是高性能的有機電化學突觸晶體管，也要求將寫操作與讀操進行解耦。因此，如果想要保留內存，就必須將其與寫過程斷開連接，而這種操作會使集成到電路或系統中的問題進一步復雜化。”
像人腦一樣：突觸式晶體管
為了克服這些挑戰，研究團隊在有機電化學晶體管（OECT）內優化了一種導電塑料材料，它可以捕獲離子。在大腦中，一個神經元可以使用稱為神經遞質的小分子向另一個神經元傳遞信號。在突觸晶體管中，離子的行為類似于神經遞質，在終端之間發送信號以形成人工突觸。通過保留來自捕獲離子的存儲數據，晶體管可以記住以前的活動，從而形成長期的可塑性。
圖 | OECT 的電非易失性（來源：該論文）
實驗表明，該非易失性有機電化學晶體管具有良好的可逆性和記憶性，避免了使用基于晶體管或憶阻器的訪問器件，從而簡化了基于更復雜的晶體管有源陣列的電路設計。
研究人員將單個突觸晶體管連接到一個神經形態電路中，來模擬聯想學習，展示了其設備的突觸行為。他們將電壓和光傳感器集成到電路中，并訓練電路將兩個不相關的物理輸入（電壓和光）彼此關聯。
圖 | 使用 OECT 人工突觸模擬突觸長期可塑性（LTP）（來源：該論文）
研究人員分別用有機電化學晶體管模擬了突觸的短期可塑性（STP）和長期可塑性（LTP）。STP 會發生突觸權重的暫時性改變，而 LTP 通過更持久地改變突觸權重來發揮其在記憶或學習中的作用，LTP 可以持續幾分鐘、幾天甚至幾年。在實驗中，通過反復給有機電化學晶體管施加突觸前柵極電壓脈沖，研究人員模擬了大腦的記憶過程。
受 “巴甫洛夫的狗” 實驗啟發，研究人員在處理神經形態電路中，通過用手指按壓來激活一個電壓。為了使電路將光與電壓聯系起來，研究人員首先從一個 LED 燈泡中施加脈沖光，然后立即施加電壓。在這種情況下，電壓就是食物、光就是鈴聲。該設備的相應傳感器就會檢測到這兩個輸入。
圖 | 基于 OECT 的神經形態電路，用于展示聯想學習（來源：該論文）
經過一個訓練周期，電路在光和電壓之間建立了初步聯系。經過五個訓練周期后，電路明顯地將光與電壓顯著關聯。實驗表明，光能夠單獨觸發一個信號或產生 “無條件響應”。
應用前景廣泛
研究人員表示，該研究基于有機電化學晶體管的非易失性特點，已成功展示了一種神經形態電路，該電路可通過組合壓力傳感器、光敏電阻、易失性有機電化學晶體管和非易失性有機電化學晶體管，來模擬來自兩個物理輸入的聯想學習。
由于突觸電路是由柔軟的聚合物制成的，因此可以很容易地在柔性板上制成，并且可以輕松地集成到柔性可穿戴電子設備、智能機器人和可植入設備中，直接與活體組織甚至大腦連接。
Rivnay 說：“雖然我們的應用是概念證明，但我們提出的電路可以進一步擴展，以囊括更多的感官輸入，并與其他電子設備集成在一起，來實現現場低功耗計算。由于它與生物環境兼容性，該設備可以直接與活體組織連接，這對下一代生物電子學來說至關重要。”
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22680-5#Abs1
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/nu-nbc042721.php
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