Nature子刊 | 瑞典林雪平大学研究团队：单晶体管仿生离子神经元问世

瑞典林雪平大学研究团队最近发表了一项里程碑式成果：全球首个单晶体管有机电化学神经元（1T-OECN）研制成功。该器件仅用一个有机电化学晶体管即完整模拟生物神经元动态特性，将传统数十个晶体管的复杂电路浓缩为单一元件，并实现离子感知，为高密度神经形态计算、脑机接口及生物电子系统的革新开辟了全新路径。相关成果以“Single-transistor organic electrochemical neurons”为题发表在Nature Communications《自然通讯》期刊上。论文通讯作者是瑞典林雪平大学教授Simone Fabiano，第一作者是博士生纪君朋。

大道至简：单个器件模拟生物神经元的动态特性

1.极简设计

• 生物神经元依赖离子通道实现信号传递，传统硅基器件需复杂电路模拟这一过程。

• 新器件利用有机聚合物BBL的非对称开关特性，通过电解液调控离子迁移，在单晶体管中集成动作电位生成、脉冲频率适应、逻辑运算等17种神经行为，媲美生物神经元的多维动力学。

图1 BBL OECT的非对称开关特性及记忆性能

图2 模仿生物神经元离子通道，使用一个OECT实现连续动作电位的产生

2.化学-电信号双模态响应

• 器件可感知电解液中离子（如NH₄⁺、Br⁻）浓度变化，动态调整脉冲模式；

• 结合压力传感器后，能直接将机械刺激转化为神经信号，模拟皮肤触觉神经功能。

3.高密度柔性集成

• 在柔性基板上实现每平方厘米62,500个神经元的集成密度，可实现的体积密度和一致性接近真实神经元；

• 实验证实大鼠神经元可在器件表面正常生长，生物相容性为植入式脑机接口铺平道路。

图3 1T-OECN实现复杂神经特性及逻辑运算

图4 高密度1T-OECN阵列及神经形态人工皮肤、神经信号传递通路的实现

道法自然：从神经信号到逻辑运算的全能仿生

• 类脑计算：单个器件支持AND、OR、XOR等6种逻辑运算，同时具备突触可塑性（STDP），可构建学习型神经网络；

• 神经形态感知：已演示触觉-神经信号转换系统，未来可扩展至视觉、听觉等多模态传感；

• 模块化神经通路：仅用3个晶体管即实现突触-神经元信号级联，大幅简化人工神经网络硬件。

科学意义
作者指出：“1T-OECN的独特之处在于，它既是晶体管，又是具备离子感知能力的仿生神经元。这一设计弥合了电子计算与生物系统的鸿沟，为可穿戴设备、智能假肢乃至神经修复技术提供了全新硬件范式。”

未来展望
团队计划进一步优化器件在复杂生物环境中的稳定性，并探索其在实时环境感知机器人和高精度脑机接口中的应用。这项研究标志着有机电子与神经科学的深度交叉，或将催生新一代“生物融合智能”技术。

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