近日，中国科学院杭州医学研究所研究团队开发了一种基于级联界面陷阱效应的多相凝胶离子传输体（gel-multiphasic ion transporter，GIT），实现了双向离子整流和低能耗多态离子神经形态处理。这项研究为人造神经与类脑器件的开发提供了新的材料与器件基础，有望为神经信号功能重建与调控等生命医学研究提供新的技术路径。
类神经离电器件能够以低能耗调控多种离子信号，为生物神经系统与人工智能系统的融合提供新途径。现有器件大多依赖纳米限域效应。然而，纳米限域界面固有的空间作用尺度限制了对离子的调控能力，器件集成过程中还会引发离子串扰，制约了其在生物-非生物系统中的应用。
生物突触通过多级界面级联调节信号传递，实现学习与记忆等功能。受到生物突触多级界面调控机制的启发，研究团队构建了具有级联异质界面陷阱的多相凝胶离子传输体（图1）。在动态电场激励下，该材料成功模拟了生物神经元的双向整流特性，突破了传统人工离子体系局限于单向整流的瓶颈，并在毫伏（mV）量级超低驱动电压下实现了高达10³的双向整流比。
图1. 凝胶多相离子传输体中的级联异质界面陷阱离子传输
通过外加电场事件强度动态调控界面陷阱对离子的累积与排空状态，研究团队首次实现了离子突触可塑性的双极性可逆切换。同时，突触后离子电流展现出显著的脉冲依赖型可塑性易化与抑制行为，以及短时程至长时程突触可塑性（STP/LTP）转变，具备仿生离子信息记忆与周期性信号动态响应能力。该材料成功复现了赫布（Hebbian）、反赫布（anti-Hebbian）及BCM等高阶突触学习法则，并将器件驱动电压与运行功耗降低了数个数量级（0.61 pJ）。
基于此构建的双通道类神经离电器件已成功接入生物体离断的坐骨神经界面。与传统依赖外加电场的电子系统不同，该器件在无外部电源偏置条件下，能够直接原位感知并传输生物体上游神经动作电位，自主产生神经形态信号响应，进而实现受损下游神经的信号功能重建与突触可塑性精准调控（图2）。这项研究有望推动生物-非生物混合系统中高阶神经形态处理技术的发展。
图2. 生物神经驱动的离子神经形态处理器
相关成果发表在Nature Electronics上。论文第一作者为中国科学院博士生吴之心、首都医科大学张苏丽副教授和清华大学博士生翟麟鑫，通讯作者为中国科学院杭州医学研究所赵紫光研究员。
