向類腦計算方向發展：新的憶阻器更好地模擬突觸

密歇根大學開發的一種新的電子設備可以直接模擬突觸的行為，突觸是兩個神經元之間的連接。神經元共享或競爭資源的方式首次可以在硬體中探索，而不需要複雜的電路。神經科學家認為突觸之間的競爭和合作行為非常重要。我們新的記憶設備使我們能夠在固態系統中實現這些行為的忠實模型。

記憶電阻器是帶有記憶的電阻器——一種先進的電子設備，根據施加在它們上面的電壓的歷史來調節電流。它們可以同時存儲和處理數據，這使得它們比傳統系統高效得多。它們可以支持並行處理大量信號並具有先進機器學習能力的新平台。憶阻器是一個很好的突觸模型。它模仿了信號通過神經元時神經元之間的連接增強或減弱的方式。但電導率的變化通常來自記憶電阻器內導電材料通道形狀的變化。這些通道——以及記憶電阻器導電的能力——在以前的設備中無法精確控制。

現在，密歇根大學的研究小組製造了一種憶阻器，他們可以更好地控制傳導通路。他們從半導體二硫化鉬中開發出一種新材料——一種「二維」材料，可以剝離成只有幾個原子厚的層。Lu的團隊將鋰離子注入二硫化鉬層之間的空隙中。他們發現，如果存在足夠的鋰離子，硫化鉬就會改變其晶格結構，使電子能夠像金屬一樣輕易地穿過薄膜。但在鋰離子太少的地區，硫化鉬會恢復原來的晶格結構，變成半導體，而電子信號很難通過。

鋰離子很容易在層內通過電場滑動重新排列。這就逐漸改變了導電區域的大小，從而控制了器件的導電性。「因為我們改變了薄膜的『體積』特性，所以電導率的變化是更加漸進和可控的，」盧說。

除了使設備性能更好，這種分層結構還使Lu的團隊能夠通過共享鋰離子將多個憶阻器連接在一起——創造出一種大腦中也能找到的連接方式。單個神經元的樹突，或其信號接收端，可能有幾個突觸將其與其他神經元的信號臂連接起來。Lu將鋰離子的可用性與一種能使突觸生長的蛋白質的可用性進行了比較。

如果一個突觸的生長釋放這些蛋白質，稱為可塑性相關蛋白質，附近的其他突觸也會生長——這就是合作。神經科學家認為，突觸之間的合作有助於迅速形成持續數十年的生動記憶，併產生聯想記憶，例如，一種讓你想起祖母家的氣味。如果蛋白質缺乏，一個突觸會以另一個突觸為代價生長——而這種競爭會削弱我們大腦的聯繫，阻止它們與信號爆炸。

Lu的團隊能夠直接使用他們的憶阻器件來顯示這些現象。在競爭的情況下，鋰離子從設備的一側流失。帶鋰離子的一側電導率增加，模擬生長，少量鋰離子的器件電導率受阻。在一個合作的場景中，他們製作了一個帶有4個可以交換鋰離子的設備的憶阻管網路，然後將一些鋰離子從一個設備虹吸到另一個設備。在這種情況下，鋰離子供體不僅可以增加其電導率——其他三個設備也可以，儘管它們的信號不那麼強。

Lu的團隊目前正在構建這樣的記憶電阻器網路，以探索它們在模擬大腦迴路的神經形態計算方面的潛力。

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