导电高分子打破生物与电子的界限!《Nat.Mater.》:基于PEDOT实现人工突触神经递质介导的可塑性“

导电高分子打破生物与电子的界限!《Nat.Mater.》:基于PEDOT实现人工突触神经递质介导的可塑性“

人机交互”在每一部科幻作品里都是绕不开的话题。在机械/物理式的交互手段日臻完美的今天,我们期望着在“交互”的基础上实现真正的“融合”,不仅要让机器像人一样运动,还要让机器像人一样“思考”与“学习”,而这其中的关键之一就是人工生物混合突触,一种在人类神经与机器之间搭建起桥梁的人机界面。

目前的人工神经网络都主要基于软件层面的算法来实现,但是如何在硬件层面直接搭建可以感知生物信号,并作出与生物体相同行为模式的连接依然是一个巨大的挑战。这其中,最关键的第一步便是如何实现与神经突触的连接,并根据神经信号对突触权重(synaptic weight)进行动态调整——类比于学习的过程。先前的研究主要是通过记录突触前神经元的电活动来实现对突触权重的调整,然而在真正的生物活动中,突触权重的调整是通过神经递质与电信号的配合来实现的,缺少了对生物化学信号感知的人工突触在硬件层面是不完整的。

导电高分子打破生物与电子的界限!《Nat.Mater.》:基于PEDOT实现人工突触神经递质介导的可塑性“

近日,来自斯坦福大学的Alberto Salleo、荷兰埃因霍温理工大学的Yoeri van de Burgt和意大利技术研究院的Francesca Santoro团队在硬件层面实现了对神经突触连接及其功能的模仿。其中突触前神经元由可分泌多巴胺(神经可塑性的关键神经递质)PC-12细胞构成,突触后神经元则为人造晶体管,门电路为PEDOT:PSS。当通电时,多巴胺可以还原PEDOT:PSS,使沟道的电导率降低,从而实现对该人工突触权重的长期调控。这一过程模仿了人类神经元在神经递质作用的下的长期改变。该成果以“A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity”为题发表在《Nature Materials》上。

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图 1 生物混合突触的结构和原理

 

人工突触后神经元是一个以部分氧化的PEDOT:PSS为栅极的晶体管,PC-12细胞生长于人工突触后神经元的栅极上(图1c、d),并可在氯化钾溶液的刺激下释放多巴胺(图1b)。当栅极通电时,液态电解质的电导率会在电场作用下首先发生一个较大的短期变化,然后多巴胺会与PEDOT:PSS发生氧化还原反应还原PEDOT:PSS,这一反应会引起PEDOT:PSS电荷状态的长期改变,并在充盈器件的液态电解质中引起离子流,长期改变沟道的电导率(图1e)。上述过程同时模仿了突触后神经元兴奋引起的短期权重变化以及神经递质与受体结合后引发的长期突触权重调整的过程。在人工突触上添加PDMS流道,就可以通过控制液态电解质的流速来控制多巴胺及其氧化产物在栅极表面的附着/洗脱状态,进一步模拟了神经递质在受体上的结合/脱离这一可逆过程。值得一提的是,上述氧化还原反应只有在栅极通电并且电解质中存在多巴胺时才会发生,并且氧化还原反应所引起的改变在完全撤去电压后不会消失,这使该人工神经突触与赫布学习模型——“一起激发的神经元连在一起”——相符合。

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图 2 PC-12细胞密度对器件性能影响及器件对胞吞/胞吐作用的模拟

 

在突触前神经元单层中,PC-12细胞的密度越高,多巴胺释放量越大,对突出权重的影响也越明显(图2a),但是过高的细胞密度会阻塞电解质在突触间隙(图2b、c)间的流动,因而作者选取70%的密度用于展示人工神经突触的性能。

为说明通过控制流速模拟神经递质的结合与脱离的有效性,研究人员测量了保持栅极电压恒定(0.3 V)时沟道电导率在电解质低速/高速流动时的变化情况。当电解质低速流动时,多巴胺能有效结合在栅极表面,引起电导率的下降;当流速升高时,多巴胺无法与栅极有效结合,因而使栅极裸露,此时溶解在液态电解质中的微量氧气可以部分氧化PEDOT:PSS,从而使电导率逐渐恢复(图2d、e)。

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图 3 人工突触后神经元在多巴胺刺激下的长期增强

 

为证明上述神经递质介导的突触权重变化具有长效性,研究人员测量了在一定的栅极脉冲电压刺激后2小时的沟道电导率。在刺激过程中,电导率每脉冲下降8.4 2.8 S,这一电导率的改变在2小时后以及细胞的重新接种过程中仍保持稳定(图3a)。

在重新接种了PC-12细胞的人工突触上,研究人员又采用相同条件进行了试验以证明人工突触在突触权重改变后仍具有可塑性。研究结果表明在第二轮脉冲电压刺激中,人工突出的权重改变行为与第一次基本没有差异(图3a)。

为验证人工突触的权重改变过程与赫布学习模型的一致性,也即突触前神经元必须与突触后神经元同时兴奋才能引起突触权重改变,研究人员采用不同浓度的氯化钾(60 mM与120 mM)对PC-12细胞进行刺激。在低浓度氯化钾刺激时,PC-12细胞不产生足够的兴奋,突触权重不发生变化;而高浓度氯化钾刺激下,足量多巴胺被释放出来,因而突触权重发生了变化(图3b、c)。

结语

这项工作所提供的人工神经突触在未来可以充当生物神经系统与人工神经网络间连接的桥梁,并提供更为复杂的信号处理能力。此外,这项工作还有望与刺激模组相连接,用于神经假体,修复损坏的神经化学通路。更进一步地,这项工作的器件尺寸还可以被进一步缩小,提供更高灵敏度的多巴胺响应能力,甚至可响应单个囊泡的释放。

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