《Nano Lett》基于电化学有机晶体管的人工神经元

人工神经元是一类高度模仿生物神经元工作模型的电子器件，能够响应、记忆以及传递神经递质信号。然而，目前的人工神经元还无法完美地按照生物神经元地“Integrate and Fire”动力学模型来工作。近日，复旦大学魏大程团队在Nano Letters上发表题为“Highly Bionic Neurotransmitter-Communicated Neurons Following Integrate-and-Fire Dynamics”的文章（DOI：10.1021/acs.nanolett.3c00799）。该研究构建了一类新型的基于超级电容式电化学有机晶体管，通过对神经递质信号（乙酰胆碱）的响应与记忆，实现了高效的化学通讯。该晶体管利用了石墨烯纳米墙表面修饰的乙酰胆碱酯酶将乙酰胆碱催化分解，产生地电子流入栅极改变其电位，导致漏极电流改变。此外，由于石墨烯墙表面的双电层电容的存储能力，电化学晶体管可以有效记忆乙酰胆碱转化而成的电位信号。

该研究将超级电容式电化学有机晶体管与axon-hillock电路相结合实现了对生物神经元工作模式的模仿，遵循了对神经递质信号的积累、达到阈值后发放脉冲信号。通过微型电化学泵与微流道结合，实现了对神经递质信号的可控释放，形成了对神经递质的响应、记忆与释放的闭环过程。由于基于相同的神经递质，该人工神经元实现了与生物细胞（PC-12）的高效化学通讯。该人工神经元有望应用在人机融合、神经移植手术等领域。

图1 人工神经元器件结构示意图

复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室为论文第一单位；复旦大学高分子科学系博士研究生罗实和材料系博士研究生邵琳为第一作者；复旦大学魏大程教授、赵岩教授和海军军医大学郭猛老师为共同通讯作者。此外，复旦大学材料科学系刘云圻院士等参与了该研究。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院和复旦大学的支持。