研究人員表示，一種受大腦啟發的計算元件提供了迄今為止對人腦神經元之間連線最忠實的模擬。
該研究稱，這種所謂的憶阻器，其電阻取決於過去透過它的電荷量，它模擬了鈣離子在人腦中兩個神經元之間的連線處（即突觸）的行為方式。研究人員表示，這種新裝置可能在受大腦啟發的（或神經形態的）計算機領域取得重大進展，這種計算機在感知和學習任務方面可能比傳統計算機更好，而且能效更高。
馬薩諸塞大學阿默斯特分校電氣與計算機工程教授、研究負責人約書亞·楊說：“過去，人們使用電晶體和電容器等裝置來模擬突觸動力學，這可以奏效，但這些裝置與真實的生物系統幾乎沒有相似之處。因此，這樣做效率不高，會導致更大的裝置面積、更大的能耗和更低的保真度。”[關於大腦你不知道的10件事]
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之前的研究表明，人腦約有1000億個神經元和大約1千萬億（1百萬個10億）個突觸。科學家們表示，受大腦啟發的計算機的理想設計應是模擬大腦的巨大計算能力和效率。
他對《生命科學》說：“藉助我們裝置提供的突觸動力學，我們可以以更自然、更直接和更高保真度的方式模擬突觸。您不僅僅是模擬一種型別的突觸功能，還模擬其他重要特徵，實際上是將多種突觸功能結合在一起。”
模擬人腦
在生物系統中，當神經衝動到達突觸時，它會導致通道開啟，使鈣離子湧入突觸。這會觸發被稱為神經遞質的大腦化學物質的釋放，這些物質穿過兩個神經細胞之間的間隙，將衝動傳遞給下一個神經元。
該研究中描述的新型“擴散憶阻器”由嵌入在兩個電極之間的氮氧化矽薄膜中的銀奈米顆粒簇組成。
該薄膜是絕緣體，但當施加電壓脈衝時，加熱和電力的結合會導致簇分解。奈米顆粒在薄膜中擴散，並最終形成導電細絲，將電流從一個電極傳輸到另一個電極。一旦電壓消除，溫度就會下降，奈米顆粒會重新聚整合簇。
研究人員表示，由於這個過程與鈣離子在生物突觸中的行為方式非常相似，因此該裝置可以模擬神經元中的短期可塑性。高頻率的低壓脈衝串會逐漸增加裝置的電導率，直到電流可以透過，但如果脈衝繼續，這種電導率最終會下降。[超智慧機器：7種機器人未來]
研究人員還將他們的擴散憶阻器與所謂的漂移憶阻器結合在一起，後者依賴於電場而不是擴散，並且針對記憶體應用進行了最佳化。這使科學家能夠展示一種稱為尖峰時間依賴性可塑性 (STDP) 的長期可塑性形式，該形式根據脈衝的時間調整神經元之間的連線強度。
之前的研究已經單獨使用漂移憶阻器來近似鈣動力學。但是，這些憶阻器基於與生物突觸中物理過程非常不同的物理過程，這限制了它們的保真度和可能的突觸功能種類，楊說。
楊說：“擴散憶阻器正在幫助漂移型憶阻器表現得類似於真實的突觸。將兩者結合在一起，使我們能夠自然地展示 STDP，這是一種非常重要的長期可塑性學習規則。”
準確再現突觸可塑性對於建立可以像大腦一樣執行的計算機至關重要。楊說，這是理想的，因為大腦比傳統電子裝置更緊湊、更節能，並且在模式識別和學習等方面也更出色。“人腦仍然是有史以來最高效的計算機，”他補充道。
如何構建它
楊說，他的團隊使用與計算機記憶體公司正在開發的工藝類似的製造工藝來擴大憶阻器的生產。並非所有這些工藝都可以使用銀作為材料，但該團隊未發表的研究表明，可以使用銅奈米顆粒代替，楊說。
楊說，假設該裝置甚至可以做得比人突觸更小，因為該裝置的關鍵部分僅測量4奈米寬。（相比之下，平均一根人頭髮的寬度約為100,000奈米。）楊補充說，這可以使該裝置在構建受大腦啟發的計算機方面比傳統電子裝置更高效。傳統電子裝置需要大約 10 個電晶體來模擬一個突觸。
德國於利希研究中心彼得·格倫貝格研究所的神經形態計算專家伊利亞·瓦洛夫表示，這項研究就其能夠實現的多種功能而言，是迄今為止最完整的人工突觸演示。
他說，這種方法絕對是可擴充套件的，單個單元系統肯定能夠達到生物突觸的規模。但他補充說，在多單元系統中，由於使更大的系統工作所涉及的實際考慮，這些裝置可能需要更大。
該研究結果於今天（9 月 26 日）線上發表在《自然材料》雜誌上。
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