一种新型人工突触可用于高度扩展的大脑 如计算

据最新一期《美国化学学会杂志》《应用材料与界面》报道，新加坡科技设计大学(SUTD)的研究团队开发了一种基于2D材料的新型人工突触，可用于高度可扩展的类脑计算。

类脑计算模仿人脑的功能，因其在人工智能中的功能应用和低能耗而受到科学界的广泛关注。像人脑一样，为了让像计算这样的大脑工作，有必要记住连接两个神经元的突触。

在发育中的大脑中，突触可以分为功能性突触和沉默性突触。正常情况下，功能性突触是活跃的，而沉默性突触是不活跃的。此外，当沉默的突触被激活时，它们可以帮助优化神经元之间的连接。由于人脑包含约100万亿个突触，建立在数字电路上的人工突触通常占据很大的空间，因此在硬件效率和成本上存在局限性。要将其应用于智能便携设备和物联网，就必须增加硬件成本。

为了解决这个问题，SUTD研究团队使用2D材料来模拟功能性和沉默性突触的行为。此外，他们还首次证明了这种人工突触可以用作功能性和沉默性突触的相同设备。

研究人员指出，这项工作可以用单个设备取代基于复杂数字电路的功能和无声突触，从而显著降低硬件成本。“通过使用超薄2D材料将功能性和静音性突触集成到同一设备中，人工突触的硬件成本将显著降低，这将促进类脑硬件的商业化”。

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，但缺乏-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸(AMPA)受体。然而，沉默突触可以被激活成为功能性突触，当连续刺激后插入AMPA受体时，这些突触会对刺激做出反应。

受插入AMPA受体激活沉默突触的生物学机制启发，通过在2D硒化铟材料体系中引入硫阴离子，可以实现沉默突触向功能突触的转化。硒化铟中的硫阴离子可以在电场作用下迁移，表现出功能性突触可塑性。该装置基于全硫化体系，在室温下表现出明显的忆阻行为，可用于实现功能突触。沉默突触的激活可以通过使用部分硫化系统改变温度来实现。

人们对人工智能和计算机最大的期望是什么？回答：像人类一样计算和思考。因此，“受脑启发”被认为是该领域发展的最重要方向。类脑计算可以和人脑同时处理和存储信息，而人工突触可以模拟人脑突触的短期和长期可塑性，以记忆为基础，随着时间的推移而学习。尽管这项研究远非实际可行，但这一令人兴奋和望而生畏的大脑类计算挑战已经向前迈出了重要的一步。