新型人工突触可用于高度扩展的类脑计算

【本报讯】据最新一期美国化学会期刊《应用材料与界面》报道，新加坡科技与设计大学（SUTD）研究团队开发出一种基于二维（2D）材料的新型人工突触，能用于可高度扩展的类脑计算。

模仿人脑功能的类脑计算因其在人工智能中的功能应用和低能耗而引起科学界的广泛关注。像人脑一样，为了让类脑计算发挥作用，记住两个神经元之间连接的突触必不可少。

在发育的大脑中，突触可以分为功能性突触和沉默突触。功能性突触是活跃的，而沉默突触在正常条件下是不活跃的。而且，当沉默突触被激活时，它们可帮助优化神经元之间的连接。由于人脑包含大约一百万亿个突触，而建立在数字电路上的人工突触通常占据较大的空间，因此在硬件效率和成本方面存在限制，要将其应用于智能便携式设备和物联网，需要提高硬件成本。

为了解决这个问题，SUTD研究团队使用2D材料模拟了功能性和沉默突触的行为。此外，他们还首次证明，这种人工突触可以同时作为功能性和沉默突触的相同设备。

研究人员指出，这项工作可用单个设备替换基于复杂数字电路的功能性和沉默突触，从而显著降低硬件成本。“通过使用超薄的2D材料将功能性和沉默突触集成到同一设备中，人造突触的硬件成本将显著降低，这将推动类脑硬件的商业化”。

从神经生物学的角度来看，当突触前神经元接受持续刺激时，沉默突触不会产生兴奋行为，因为它们含有N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体，但它们缺乏α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸 （AMPA）受体。然而，沉默突触可被激活成为功能性突触，在连续刺激后插入AMPA受体时对刺激作出反应。

受到插入AMPA受体激活沉默突触的生物学机制的启发，通过在2D硒化铟材料系统中引入硫阴离子，可实现从沉默突触到功能性突触的转变。硒化铟中的硫阴离子可在电场下迁移，并表现出功能性突触可塑性。该设备基于完全硫化类型的系统，在室温下表现出明显的忆阻行为，可用于实现功能性突触。沉默突触的激活可使用部分硫化类型的系统，通过改变温度来实现。

总编辑圈点

人们对人工智能和计算机最大的期待是什么？答案：像人一样计算思考。正因此，“受脑启发”被认为是这一领域发展中最重要的方向。类脑计算可以像人的大脑一样同时处理和存储信息，人工突触则可以模拟人类大脑中突触的短期和长期可塑性，建立在记忆的基础上，随着时间的推移而学习。尽管该研究还远远未走向实用，但类脑计算这场令人兴奋而又望而生畏的艰难挑战，已向前迈出了重要一步。（记者张梦然）