神經元的動作電位就可以驅動電子器件？麻省大學Nature Communications：用細菌制作生物電級別憶阻器

【引言】

人腦可以高效的處理各種數據并進行決策，這種生物行為歸功于腦神經元的復雜聯系。類腦計算是人們探索出的一種新型計算方法，旨在通過模擬神經元間的相互作用從而達到類似大腦的低功耗計算能力。憶阻器，作為一種可以模擬神經元突觸的電子器件，已經廣泛被應用到了類腦計算中。人們通過給憶阻器兩端施加不同的電壓，從而使其電阻呈現出不一樣的阻值。然而，現有憶阻器的開啟電壓普遍在0.2 V到2?V之間，遠遠超過了生物體內的生物電幅值（50-120 mV）。由于功耗與信號幅度平方呈正比關系，憶阻器對于神經元的模擬尚未達到如同生物系統的超低功耗要求。因此，一種可以工作在生物電壓級別的類腦電子器件無論對低功耗類腦計算，還是對電子-生物直接交互都有重要意義。

【成果簡介】

近日，美國麻省大學（Amherst分校）姚軍教授（通訊作者），聯合微生物學家Derek?R.?Lovley教授，以及 Jianhan Chen?教授, Joshua Yang?教授在Nature Communications上發表了題為“Bioinspired bio-voltage memristors”的研究論文。論文的第一作者為博士生付天達。作者通過使用從硫化土桿菌中提取出的蛋白質納米線實現了生物電級別的憶阻器單元。這是該課題組今年繼使用該種材料在空氣中發電（Nature 578，?550-554?（2020））之后，對于蛋白質納米線應用的又一成功探索。該憶阻器（結構：Ag/Protein/Pt）使用蛋白質納米線作為兩個電極之間的介電層，實現了58 mV±10 mV的穩定開啟電壓，并且可以循環使用10000次以上。另外，由憶阻器構建的人造神經元不僅以生物動作電位（例如100 mV，1 ms）起作用，而且還表現出與生物神經元接近的時間整合。最后，團隊還闡述并展示使用憶阻器直接處理生物傳感器的潛力。

該團隊提出了‘催化憶阻器’的概念：金屬絲狀憶阻器（metallic filament?memristor）的開關過程主要涉及金屬的氧化，遷移和還原過程；另一方面，具有蛋白質納米線的硫化土桿菌具有金屬還原能力。因此團隊嘗試把這種對金屬的還原行為引入到憶阻器的概念中，從而催化憶阻器導電金屬絲的還原與形成。

【圖文導讀】

圖1 催化憶阻器的方案

1、催化憶阻器原理示意圖；

2、催化作用降低金屬還原過電位；

3、催化作用降低憶阻器閾值電壓；

4、硫化土桿菌和提取出的蛋白質納米線TEM圖像；

5、蛋白質納米線加速憶阻器中銀離子還原示意圖。

圖2?生物電壓級憶阻器性能

1、生物電壓級憶阻器平面結構示意圖；

2、憶阻器（平面結構）I-V測試曲線（50次）；

3、憶阻器（平面結構）在不同限流下的I-V測試曲線；

4、憶阻器（平面結構）對于脈沖信號的響應；

5、生物電壓級憶阻器垂直結構照片和示意圖；

6、憶阻器（垂直結構）I-V測試曲線（1000次）；

7、憶阻器（垂直結構）閾值電壓統計圖；

8、憶阻器（垂直結構）循環性測試（10000次）。

圖3?對催化憶阻器機理的討論

1、憶阻器的SEM照片（I?施加電壓前，II施加電壓后，III?移除蛋白質納米線）；

2、不同濕度下蛋白質納米線的紅外光譜圖；

3、不同濕度下的蛋白質憶阻器閾值電壓；

4、Ag氧化還原CVs曲線（Au/ptotein和Au/SiO₂電極對比圖）。

圖4?使用憶阻器構建的人造神經元

1、神經元興奮性突觸后電位（EPSP）示意圖；

2、憶阻器金屬絲形成的動力學示意圖；

3、由憶阻器構成的integrate-and-fire人造神經元示意圖；

4、在低頻（50Hz）脈沖和高頻（900Hz）脈沖下人造神經元的激活；

5、在低頻（50Hz）脈沖和高頻（900Hz）脈沖下人造神經元激活所需的脈沖數統計；

6、在不同頻率下人造神經元激活所需的脈沖數統計。

圖5?使用憶阻器構建的人造突觸

1、人造突觸模擬示意圖；

2、使用人造突觸模擬的PPF和PPD過程；

3、不同脈沖輸入頻率下，人造突觸的強度（導電性）變化。

圖6?憶阻器在生物信號處理上的應用

1、使用人造神經元構建的人體脈搏監測系統；

2、正常脈搏頻率（1.16Hz）不能激活神經元；

3、快速脈搏頻率（3Hz）可以激活神經元并產生動作電位；

4、快速脈搏頻率（3Hz）下，激活神經元所需的脈沖數量統計。

【小結】

本文展示了一種新型的生物電壓級別的憶阻器，其閾值電壓可以穩定在58 mV±10 mV。超低的閾值電壓可以歸功于促進陰極銀離子還原的蛋白質納米線。基于此，團隊搭建了有關類腦計算的單元，例如生物電位下作用的人造神經元和突觸。文章指出這種新型的電子器件不僅可以應用到低功耗的類腦計算，還對電子-生物直接交互有重要意義。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15759-y