乌得勒支大学的理论物理学家与韩国西江大学的实验物理学家一起成功构建了人工突触。这种突触与水和盐一起工作，并提供了第一个证据，证明使用与我们的大脑相同的介质的系统可以处理复杂的信息。研究结果发表在科学杂志《美国国家科学院院刊》上。
乌得勒支大学的理论物理学家与韩国西江大学的实验物理学家一起成功构建了人工突触。这种突触与水和盐一起工作，并提供了第一个证据，证明使用与我们的大脑相同的介质的系统可以处理复杂的信息。研究结果发表在科学杂志《美国国家科学院院刊》上。
为了提高传统计算机的能源效率，科学家们长期以来一直向人脑寻求灵感。他们的目标是通过各种方式模仿其非凡的能力。这些努力导致了类脑计算机的发展，它与传统的二进制处理不同，采用类似于我们大脑的模拟方法。然而，虽然我们的大脑使用水和溶解的盐颗粒（称为离子）作为介质进行操作，但当前大多数受大脑启发的计算机都依赖于传统的固体材料。
这就提出了一个问题：我们能否通过采用相同的媒介来更忠实地复制大脑的运作？这种有趣的可能性是新兴的离子电子神经形态计算领域的核心。
下面显示了突触的图形表示。突触由胶体球组成，胶体球之间有纳米通道。图片来源：乌得勒支大学
人工突触
在《美国国家科学院院刊》上发表的最新研究中，科学家们首次证明了一种依赖水和盐的系统，该系统具有处理复杂信息的能力，反映了我们大脑的功能。这一发现的核心是一个尺寸为 150 x 200 微米的微小装置，它模仿突触的行为——突触是大脑中负责在神经元之间传输信号的重要组成部分。
该研究的主要作者、乌得勒支大学理论物理研究所和数学研究所的博士研究生 Tim Kamsma 表达了他的兴奋之情，他表示：“虽然基于固体材料已经存在能够处理复杂信息的人工突触，我们现在首次证明，使用水和盐也可以完成这一壮举。”他强调，“我们正在使用与大脑相同介质的系统有效地复制神经元行为。”
“也许这将为计算系统更忠实地复制人脑的非凡能力铺平道路。”
— Tim Kamsma，博士生兼主要作者
离子迁移
该装置由韩国科学家开发，被称为离子电子忆阻器，由一个充满水和盐溶液的锥形微通道组成。接收到电脉冲后，液体内的离子通过通道迁移，导致离子浓度发生变化。根据脉冲的强度（或持续时间），通道的电导率会相应调整，反映神经元之间连接的加强或减弱。电导的变化程度作为输入信号的可测量表示。
另一个发现是通道的长度影响浓度变化消散所需的持续时间。 Kamsma 解释说：“这表明可以定制通道以在不同的时间内保留和处理信息，这再次类似于我们大脑中观察到的突触机制。”
人工突触的显微图片。图片来源：乌得勒支大学
哇！
这一发现的起源可以追溯到不久前开始博士研究的 Kamsma 的一个想法。他将这一概念（以利用人工离子通道进行分类任务为中心）转化为一个强大的理论模型。
“巧合的是，我们在那段时期与韩国的研究小组相遇了，”卡姆斯玛回忆道，“他们以极大的热情接受了我的理论，并迅速启动了基于该理论的实验工作。”值得注意的是，最初的研究结果在三个月后就实现了，与 Kamsma 理论框架中概述的预测密切相关。 “我以为哇！”他反映道。 “见证从理论猜想到切实的现实结果的转变，并最终产生这些美丽的实验结果，真是令人难以置信的欣慰。”
向前迈出了重要一步
Kamsma 强调了这项研究的基本性质，强调离子电子神经形态计算虽然经历了快速增长，但仍处于起步阶段。预期的结果是与当今技术相比，计算机系统在效率和能耗方面要优越得多。然而，这一愿景是否会实现目前仍存在猜测。尽管如此，Kamsma 认为该出版物是向前迈出的重要一步。
他断言：“它代表了计算机的重大进步，不仅能够模仿人脑的通信模式，而且能够利用相同的媒介。” “也许这最终将为更忠实地复制人脑非凡能力的计算系统铺平道路。”
参考文献：
“利用流体离子电子纳米通道进行类脑计算”，作者：Tim M. Kamsma、Jaehyun Kim、Kyungjun Kim、Willem Q. Boon、Cristian Spitoni、Jungyul Park 和 René van Roij，2024 年 4 月 24 日，《美国国家科学院院刊》 。
DOI：10.1073/pnas.2320242121
蒂姆·卡姆斯玛的博士研究获得了乌得勒支大学可持续发展科学界的资助。通过其博士课程，该社区促进可持续发展方面的跨学科基础研究。