药物的神经刺激可引起突触兴奋性的短暂或持续性改变，这种突触可塑性的改变，不仅是大脑学习和记忆的机制，也是反映药物作用效果的重要依据。二维层状半导体材料具有原子层厚度、体积比大和优异电荷传输能力等优点，有望广泛应用于晶体管、光电探测器、传感器、存储器及神经形态硬件等领域。近日，华东师范大学褚君浩院士/李文武教授团队研究发现：基于背栅结构的二维半导体场效应晶体管，通过栅极来调节场效应晶体管源极和漏极之间沟道电流，可以在电子器件水平实现突触可塑性的模拟。该团队利用二维半导体材料-硒化铟（InSe）的优异栅极调控能力和光敏感性，制备了电荷捕获辅助的晶体管型突触器件，并成功模拟了药物作用后的突触可塑性。研究成果以“Carrier-capture-assisted Optoelectronics Based on van der Waals Materials to Imitate Medicine-acting Metaplasticity”为题发表于npj 2D Materials and Applications 5, 60 (2021)。
栅极电场和光脉冲作用下，InSe晶体管突触模拟机制示意图
该晶体管采用背栅结构，InSe作为沟道层，在其表面沉积了一层不连续的In层，从而达到表面电荷掺杂和封装保护的效果。团队巧妙借助InSe/SiO2界面处固有的陷阱态，通过调控栅极电场极性，诱导界面处持续捕获/释放电荷。在不同的栅极电场和光脉冲共同作用下，InSe沟道表现出截然不同的光电导弛豫现象，类似于突触可塑性的调制。利用这一现象成功模拟了神经突触权重增强、平稳和减弱的三态行为，区别于其他工作的单一权重变化趋势，并可真实反映患者在不同药物剂量下的疗效（有效/稳定/无效）。此外，通过调节光刺激参数（包括光脉冲频率和数量），来模拟用药频率和次数，进一步还原了真实药物作用下的神经突触可塑性。该研究证明了利用单一InSe晶体管模拟药物疗效的可行性和意义，为下一代神经形态、人工智能和生物医学工程的发展开创了新的思路。
此项研究工作以华东师范大学为第一完成单位，聂倩帆硕士生和高彩芳博士生为共同第一作者，华东师范大学褚君浩院士团队-李文武教授为通讯作者（Email: wwli@ee.ecnu.edu.cn）。研究工作还得到了中国台湾中兴大学林彦甫教授、李梦姣博士以及国家自然科学基金、上海市自然科学基金的支持。
© nature
doi: 10.1038/s41699-021-00241-0
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