新型人工突觸可用於高度擴展的類腦計算

據最新一期美國化學會期刊《應用材料與界面》報道，新加坡科技與設計大學（SUTD）研究團隊開發出一種基於二維（2D）材料的新型人工突觸，能用於可高度擴展的類腦計算。

模倣人腦功能的類腦計算因其在人工智慧中的功能應用和低能耗而引起科學界的廣泛關注。像人腦一樣，為了讓類腦計算發揮作用，記住兩個神經元之間連接的突觸必不可少。

在發育的大腦中，突觸可以分為功能性突觸和沉默突觸。功能性突觸是活躍的，而沉默突觸在正常條件下是不活躍的。而且，當沉默突觸被激活時，它們可幫助優化神經元之間的連接。由於人腦包含大約一百萬億個突觸，而建立在數字電路上的人工突觸通常佔據較大的空間，因此在硬體效率和成本方面存在限制，要將其應用於智慧攜帶型設備和物聯網，需要提高硬體成本。

為了解決這個問題，SUTD研究團隊使用2D材料模擬了功能性和沉默突觸的行為。此外，他們還首次證明，這種人工突觸可以同時作為功能性和沉默突觸的相同設備。

研究人員指出，這項工作可用單個設備替換基於複雜數字電路的功能性和沉默突觸，從而顯著降低硬體成本。“通過使用超薄的2D材料將功能性和沉默突觸整合到同一設備中，人造突觸的硬體成本將顯著降低，這將推動類腦硬體的商業化”。

從神經生物學的角度來看，當突觸前神經元接受持續刺激時，沉默突觸不會産生興奮行為，因為它們含有N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體，但它們缺乏α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸 （AMPA）受體。然而，沉默突觸可被激活成為功能性突觸，在連續刺激後插入AMPA受體時對刺激作出反應。

受到插入AMPA受體激活沉默突觸的生物學機制的啟發，通過在2D硒化銦材料系統中引入硫陰離子，可實現從沉默突觸到功能性突觸的轉變。硒化銦中的硫陰離子可在電場下遷移，並表現出功能性突觸可塑性。該設備基於完全硫化類型的系統，在室溫下表現出明顯的憶阻行為，可用於實現功能性突觸。沉默突觸的激活可使用部分硫化類型的系統，通過改變溫度來實現。

總編輯圈點

人們對人工智慧和電腦最大的期待是什麼？答案：像人一樣計算思考。正因此，“受腦啟發”被認為是這一領域發展中最重要的方向。類腦計算可以像人的大腦一樣同時處理和存儲資訊，人工突觸則可以模擬人類大腦中突觸的短期和長期可塑性，建立在記憶的基礎上，隨著時間的推移而學習。儘管該研究還遠遠未走向實用，但類腦計算這場令人興奮而又望而生畏的艱難挑戰，已向前邁出了重要一步。