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研究背景
视神经系统是传入神经系统(ANS)的一个独特部分，它不仅能将外部图像传送到大脑，还能参与与昼夜节律有关的神经活动，昼夜节律是一种随日出日落而改变的生物钟。视神经学研究表明，视传入神经系统(OANS)对光线的反应是维持昼夜节律不可或缺的因素节律异常可能导致疲劳、抑郁，甚至丧失学习能力和记忆力。从这个角度看，作为视传入神经系统神经信号传输的主要载体，突触不仅能产生视觉，还在调节昼夜节律的生理行为方面发挥着重要作用。迄今为止，人工光敏突触已引起了广泛的研究热潮，低功耗、高速光敏突触器件的开发为光感知生物仿生视觉的研究奠定了基础。如果能在集成和最小化神经形态芯片的水平上构建光化学双功能人工光学神经系统，将有助于创建更接近生物视神经病变的视觉系统，并推动仿生感知领域的新发展。
研究成果
视传入神经系统(OANS)在根据光探测和内分泌系统信号产生视觉和昼夜节律行为方面发挥着重要作用。然而，如何仿生模拟这种由光化学介导的行为仍是神经形态设备面临的一项挑战。在这里，河北大学闫小兵教授联合南开大学贾芸芳教授借助生物功能化异质结和隧道技术，将超低浓度的神经递质刺激和光照耦合到人工突触，成功模拟了昼夜节律神经反应。此外，还描述了光敏突触电流对刺激做出反应的内在机制。有趣的是，通过将测量到的突触电流与三层尖峰神经网络相结合，证明这种OANS 能够模拟正常和异常的昼夜节律学习能力。本文为所提出的生物仿生 OANS 提供了强有力的理论和实验证据以及应用，证明它能够再现生物昼夜节律行为，从而使其成为未来神经形态智能机器人的理想候选者。相关研究以“An Ultrasensitive Biomimetic Optic Afferent Nervous System with Circadian Learnability”为题发表在Advanced Science期刊上。
图文导读
Figure 1. Schematic diagram of the biological and artificial optic afferent nervous system (OANS).
Figure 2. The basic electronic performance of as-prepared MXene and MXene/MoS2 heterojunction integrated Ti3C2Tx artificial synapses.
Figure 3. The photoelectric sensitive performance of the OANS device.
Figure 4. a) The schematic diagram of the OANS device under the dual modulations of light and serotonin. b) The I_S is modulated by increasing serotonin and light excited band bending. c) The on-off light triggered dynamic I_S curves before and after cross-linked 1 am serotonin, VPE = −2 V,VSE = 0.1 V and light intensity was 5 mW cm−2. d) I_S dynamic curves under on-off light (5 mW cm−2), with the increasing serotonin concentration (1 am–100 nm), VPE = −2 V, VSE = 0.1 V. The error bars represent the standard deviation of randomly selected five individual OANS devices. e) ∆I_S triggered by on-off light, with increasing serotonin concentration (1 am–100 nm). f) The dynamic SC scanning results with different serotonin concentrations. ∆I_S at the peak points with increased serotonin concentrations are summarized in (g). h) Transfer characteristic curves in the process of surface modification,when VPE = −2.72 V. i–k) Transfer characteristic curves with increased concentrations of serotonin when VPE = −2.72 V, under different light intensities of 0, 5, and 10 mW cm−2.
Figure 5. The scenario diagram of the proposed biomimetic OANS to simulate circadian learnability.
总结与展望
总之，作者提出并展示了一种新型生物仿生 OANS 设备，以模拟昼夜节律的可学习性。首先，对基于 MXene/MoS2 异质结的生物仿生 OANS 器件进行的基础实验证实，突触可塑性可通过受控光照和血清素刺激来调节，这类似于环境光和内部分泌。根据导电丝效应和隧道效应的经典理论，对在拟议的 OANS 装置中观察到的这些有趣的双重调制进行了解释其次，通过将所提出的 OANS 设备与三层SNN 集成，产生类似于神经中枢视觉感受和学习过程的光和神经递质双调制突触响应，实现了两种昼夜节律行为(正常和异常节律)的模拟。昼夜节律学习能力可以通过所提出的 OANS 成功模仿，这表明这项工作可能为开发生物仿生 OANS 提供新的可能性。未来，这种完整的神经系统有望被纳入神经形态智能机器人中。
文献链接
An Ultrasensitive Biomimetic Optic Afferent Nervous System with Circadian Learnability
https://doi.org/10.1002/advs.202309489
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