南开大学徐文涛团队Advanced Science：一种具有紫外线感知、近红外-可见光可切换可塑性调制和运动状态监测的人工神经

创新点：南开大学电子信息与光学工程学院徐文涛教授课题组在国际前沿期刊《先进科学》上发表了题为“An Artificial Nerve Capable of UV-Perception, NIR-Vis Switchable Plasticity Modulation, and Motion State Monitoring”的研究论文（DOI: 10.1002/advs.202102036），首次展示了一种柔性有机异质结神经形态晶体管（OHNT），它能感应宽带光，包括近紫外光、可见光和近红外光，并能够处理多路神经递质的传输信号。

关键词：柔性有机异质结神经形态晶体管，宽带光，多路神经传递信号，运动状态监测，人工神经网络

大脑处理端与身体感知端以高度并行的方式获取、传输和处理信息。其中，神经元通过突触连接，突触之间的通信则通过从轴突末端释放的神经递质穿过突触间隙进入受体树突完成信息交换；多种神经元协同实现感知、计算和学习，以及高效、低能耗地处理复杂事件。因此，将信息传感和信息处理的等多种功能集成到一个简单的神经形态设备中成为一个重要趋势。

对于脊椎生物，超过80%的信息是通过视觉来检测的。人的视网膜拥有检测特定波长光的锥体细胞，并能够在将信息传递给大脑之前对光的强度信息进行预处理。但人只能看到有限范围的光，无法检测到有害的紫外线或有意义的红外信号。因此，通过模拟视网膜，一种能够检测和处理宽带光刺激的人工神经能够使人的视觉感知范围扩展到可见光以外，并有望应用于生物医学和神经电子中。

受生物启发的计算和学习架构背后的动机在于这些系统能够不断适应随时间变化的外部刺激。实时计算需要频率敏感的短程可塑性，其可在极短时间内重置；使用脑神经网络的学习是通过调节分配给神经元间桥接的长程突触权重获得，因此可以重新配置网络的整体连接。为了重现生物神经元在短期和长期可塑性之间切换的能力，人工神经系统需要构建基于不同神经递质的多路复用。根据刺激信号的不同，神经元可以产生不同的神经递质，进而对树突有不同的影响；这种适应性是完成复杂脑功能的基础，并能够适应不断变化的外部环境。

南开大学电子信息与光学工程学院徐文涛团队提出了一种柔性有机异质结神经形态晶体管（OHNT），以模拟这种适应性。相关结果发表在Advanced Science上, 南开大学博士研究生倪尧，硕士研究生冯九龙与硕士研究生刘甲奇为本文共同第一作者，南开大学教授徐文涛为通讯作者。

他们通过低温处理构建了有机p/n异质结，并将其首次应用到突触晶体管的研发中。OHNT集成了宽带光学传感和多路电信息处理的功能。OHNT能够实现对近紫外超灵敏探测，且触发每个突触事件能耗仅为几百阿焦耳；通过改变近红外和可见光的输入，OHNT显示出识别与记忆的可切换突触可塑性。此外，异质结双通道能够模拟不同神经递质的共同释放，分别诱导短期可塑性或长期可塑性，类似于生物神经元对多巴胺和去甲肾上腺素的反应。具有频响特性的短期可塑性首次在突触硬件层面上实现了人体运动的实时监控，同时解决了当今主流心脏监护设备中振幅可调性差的问题；将具有稳定信息存储特性的长期可塑性应用于人体区域传感器网络（bodyNET）中构建人工神经网络，在对人体光容积图（PPG）信号的模式识别中准确率能够达到96%。这项工作为具有丰富功能的人工神经系统提供了新的发展途径，在仿生和生物集成电子学中具有重大潜力。

上述研究工作得到了天津杰出青年科学基金(19JCJQJC61000)、中央高校基础科研专项资金（075-63191740、075-63191745、075-92022027）、广东重点研发项目No.2018B030338001、南开大学百名青年学术带头人项目（2122018218）、天津自然科学基金(18JCYBJC16000)、111项目(B16027)、国际合作基地(2016D0102)与天津国际联合研发中心的支持。