《ACS Nano》南方科技大学肖凯：具有突触特性和功能的智能水凝胶！

近日，南方科技大学生物医学工程系的肖凯课题组提出了一种利用水凝胶中的离子电势弛豫效应实现突触功能模拟的新策略，相关工作以题为“Ionic Potential Relaxation Effect in a Hydrogel Enabling Synapse-Like Information Processing”的文章发表在了学术期刊ACS Nano上。人类大脑包含约10 15 个突触，它们同时负责信息的存储与计算，是大脑处理信息的核心部件。生物突触通过突触后膜介导的离子选择性跨膜传输来调节膜电位（突触权重），进而实现存算功能。这一生物学基础启发了以离子为信息载体的人工突触器件的发展，旨在构建低能耗、高效率、生物兼容的类脑智能系统和无缝的人-机交互界面。柔软且生物相容的离子导电水凝胶是构建该类器件的理想基材，但如何调控水凝胶中的离子传输行为以模拟突触后膜电信号仍是一项巨大挑战。在本研究中，他们提出了一种存在于水凝胶器件中的离子势弛豫效应，用于模拟和突触功能相关的特征离子电信号，如双脉冲易化/抑制（PPF/PPD）、长时程增强/抑制（LTP/LTD）和脉冲时序依赖可塑性等，并实现类突触的信息处理功能，包括信息存储、经验学习、感知和计算等。器件的结构、弛豫机理和具体的实验结果如下：

图1. 三明治结构水凝胶（P-AXMY）中的离子电势弛豫效应及离子输运控制机制。（A）仿生设计和器件结构示意图。（B）器件照片。（C）水凝胶化学结构。（D和E）具有弛豫行为的压力（D）和电流（E）响应离子电信号。（F）压力刺激下的电势分布图。（G）压力刺激导致的离子迟滞传输。（H）模拟的压力刺激响应信号。（I）电流刺激下的电势分布图。（J）电流刺激导致的离子迟滞传输。（K）模拟的电流刺激响应信号。

图2.压力刺激诱导的突触可塑性用于模拟触觉感知。（A）皮肤的触觉感知原理。（B）模拟PPD效应。（C）PPD指数与脉冲间隔的函数关系。（D）模拟LTD效应。

图3. 电流刺激诱导的突触可塑性用于模拟学习和记忆。（A）大脑记忆的生物学基础。（B）模拟PPF效应。（C）PPF指数与脉冲间隔的函数关系。（D）模拟LTP效应。（E）模拟经验学习。（F）实现图像存储和加密功能。

图4.P-A80M20用于神经形态计算—手写数字分类。（A）计算流程。（B）随机数字“0”对应的编码序列以及响应信号。（C）分类结果，显示准确率高达95%。（D）准确率与训练轮次的关系。

图5. 器件的柔性化设计。（A）柔性设计和实物图。（B和C）在180°弯曲下（B）和100% 拉伸下（C）的器件照片。（D）四种状态下PPF指数与脉冲间隔的函数关系。（E）四种状态下的LTP电信号。

总结：他们开发了一种经济高效、柔性通用的新型人工突触设备，它利用三明治结构水凝胶中的离子电势弛豫效应将离子作为信息载体。在设备中，中间阴离子选择性层诱导的特殊离子运输行为，包括外部刺激驱动的阴离子选择性透过和刺激结束后阳离子的滞后扩散，贡献了离子电势弛豫效应。该弛豫行为与突触后膜电位的衰减动力学具有相似特征。基于此，该设备能够模拟突触中的多种电信号模式，并进一步实现了类突触的信息处理功能，包括触觉感知、学习、记忆和计算。本研究有助于突破离子神经形态设备在柔性、稳定性和大规模集成方面的构建瓶颈，为构建先进的类脑智能系统提供了新的方法和思路。

本论文以南方科技大学为第一单位，博士后王力为第一作者，肖凯副教授为通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点实验室项目、深圳市科技创新委员会和中国博士后科学基金的支持。

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09154.

肖凯课题组（“神经仿生材料与器件”实验室）长期招聘博士后、科研助理和交流学生。课题组主要围绕“神经仿生材料”、“类脑计算器件”、“神经调控技术”开展化学、材料、电子、生物等多学科交叉研究，自2021年成立以来，课题组自主培养的学生以南科大为第一单位在Nat. Commun., Sci. Adv., Angew. Chem. 等杂志发表高水平论文20余篇，课题组多位成员获批国自然面上项目（2项）、青年基金项目（3项）、博士后海外引才专项基金和中国博士后科学基金面上项目等。详细信息见课题组网站：http://www.xiaokai-group.cn/。