由于传统的基于冯·诺依曼架构的计算系统在并行运算和能耗方面遭遇瓶颈，这使得模拟生物神经突触行为和功能的类脑仿神经计算得到迅猛发展。在生物神经突触中，生物信号在突触前膜和后膜间的传递主要是由生物分子（神经递质）完成。在生物体的液相环境中，突触后膜上的受体可以选择性地和特定的神经递质相结合，从而实现对突触后神经元可塑性的特异性调控。虽然目前已有大量的关于人工突触器件的报道，但主要聚焦于固态人工突触器件，对在液相中具有生物分子选择性的人工突触器件研究仍然缺乏。
近日，复旦大学材料科学系刘云圻院士、赵岩青年研究员和海军军医大学的郭猛副教授合作，以基于聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）的有机电化学晶体管（OECT）为基础，设计构建了一种全新的液栅人工突触器件，实现了特定生物分子对其可塑性的特异性调控。
该人工突触器件对葡萄糖具有高选择性和灵敏度，且响应随着浓度上升而增加。同时器件的转移曲线显示出回滞的特性，这意味着此器件有望作为仿神经器件（人工突触）来模拟生物突触。
当水溶液中不含有相关生物分子时，栅极脉冲电压只能诱导出明显的短期调控，即脉冲电压停止后，PEDOT:PSS沟道电导能够快速恢复到初始状态；而加入特定的生物分子（葡萄糖）后，由于葡萄糖和葡萄糖氧化酶之间的特异性酶反应产生了额外的质子（阳离子），从而引发了沟道的进一步去参杂。并且由于此酶反应不可逆，当脉冲电压停止后，这些质子（阳离子）依然能够较长时间保留在沟道中，从而导致沟道电导缓慢恢复，因此栅极脉冲电压能够诱导出长期调控。该器件模拟了在生物突触中只有特定的神经递质才能特异性地调控突触后膜可塑性的功能。
当施加连续的栅极脉冲电压时，由于葡萄糖诱导的长期调控，该器件显示出记忆效应，且此记忆效应能通过增加脉冲数量来得到进一步增强，因此该器件可以模拟生理上的学习、遗忘和再学习行为的记忆过程。
该器件还能在人类血清这样的生物环境中正常工作。在人类血清环境中，该器件在栅极脉冲电压的作用下同样会产生长期调控，且具有明显的记忆效应。并且在糖尿病人的血清（血糖浓度高）中，器件的长期调控和记忆效应显著高于在健康人的血清（血糖浓度低）中。这表明该器件的沟道电流能够根据血清中葡萄糖的浓度抑制或引发动作电位。这有力地证明了该器件在神经假肢和脑机接口等领域中有着潜在的应用价值。
本工作提供了一种简单且用途广泛的液栅人工突触器件的制备方法。这些器件能够特异性地与特定的生物分子结合，并调控其突触可塑性。该工作为仿神经计算、神经假肢、人机界面等领域内的人工神经网络（ANN）的发展提供了新的思路。文章的第一作者是实验室博士后许新兆和硕士研究生张昊钦。
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202302723