半岛.体育 (中国) 官方网站大连理工江诚鸣、毕胜等《AM》：生物启发的多模态人工视觉-呼吸突触多感觉整合过程在塑造人脑的认知、学习和记忆功能方面起着关键作用，涉及对来自环境的各种感觉输入的融合，是具有高水平感知和认知能力的生物的基本特征。感官信息的整合增强了环境感知能力，有助于完成情绪调节、场景记忆和学习等任务。这些功能是通过神经元和突触的可塑性网络中复杂的多模态可塑性机制、自适应计算以及并行/进化过程实现的。人类行为学和心理学的实验观察已经阐明，各种感觉模式的刺激组合会引起神经感觉兴奋性的动态变化，从而影响记忆能力和行为兴奋。这些发现意味着，以多感官调谐为基础的神经兴奋调制模型可以为神经形态系统提供有价值的生物学见解，旨在模拟在人脑中观察到的感知增强和学习模式。

　　近日，大连理工大学机械工程学院江诚鸣副研究员、毕胜副教授联合西安电子科技大学李奇昆副教授在多模态仿生人工突触领域取得进展。该工作基于空位诱导氧化单层MXene构建了一种人工视觉-呼吸突触，表现出协同的光和空气可塑性，可用于构建类似人类的多感官系统。视觉（光子）信号和呼吸（羟基）信号之间的相互作用可调节突触行为，如突触后光电流、持续光电导和光敏性。通过同时接收视觉和呼吸信号，可对突触特性（包括时间可塑性和经验学习）进行设备级研究。多种模式的协同整合赋予了 VRSOM 与人类类似的多感官感知性能，从而实现了基于硬件的复杂跨模式神经感知。相关工作以“Bioinspired Artificial Visual-Respiratory Synapse as Multimodal Scene Recognition System with Oxidized-Vacancies MXene”发表在《Advanced Materials》。

　　生物神经形态多感官交互设备从视觉刺激和人类呼吸行为对神经兴奋性的调节中汲取灵感。对人类行为的观察表明，视觉刺激信号作用于眼睛，会导致神经兴奋，表现为特征性兴奋，包括记忆能力、学习能力和情绪变化；而各种呼吸行为，如浅呼吸和深呼吸，会唤起神经兴奋性的不同调节，导致长时间唤醒或快速恢复。视觉和呼吸信号会转变为不同的脉冲序列，从而构成神经元和突触网络内兴奋处理的关键参数。来自这两种感觉模式的综合信息可精确、快速地调节神经和行为兴奋。在设计的 VRSOM 系统中，光信号和气流通过单层空位诱导氧化MXene 纳米片感应，其中光电流通过 TiO2 晶体产生，模拟视觉信号，而气流信号提供羟基与氧化空位相互作用，模拟呼吸唤醒的松弛行为，类似于眼鼻系统。

　　作为突触装置的核心组件，空位诱导氧化MXene(VO-MXene)具有响应光和羟基信号的独特能力，以支持突触性能。从材料的角度来看，MXene氧化性能的有效利用拓宽了其应用范围。同时，从维度的角度来看，单原子层内的跨模态功能集成使器件尺寸最小化，并为突触器件的片上集成提供了基础。原始MXene (P-MXene)纳米片含有不可避免的原始空位缺陷，这些空位缺陷作为氧化位点，可以在可控的氧化过程中加强与氧的结合，导致氧化成具有平面内TiO2晶体的TiO2/MXene结构。VO-MXene中持续PSC是由氧化空位的捕获和光载流子逃逸通道所决定的协同效应的结果。利用密度泛函理论分析表明V-MXene在缺陷处表现出更明显的电子浓度，表明在这些位置具有很强的吸附特性，导致通过电荷转移形成潜在陷阱，消除周围的近自由电子态。氧和羟基在MXene表面的吸附能阐明了空位氧化过程和羟基通道的选择性，为空位氧化方案提供了支持，并有助于理解光载流子耗散通道。

　　研究了近静态大气环境(0.1 cm/s, 10% RH)下VRSOM的光子突触可塑性。在2v读取电压下(360 nm)， VRSOM表现出不同的特性，表现出典型的电流演变过程和超4000 s的长期增强(LTP)。并在单个和连续光脉冲作用下展现出突触特性。

　　代表突触重量的电导率可以被光信号和羟基信号有效调节，为控制突触重量提供了一条无电刺激的途径，为多模态可塑性奠定了基础。人类大脑中健忘或兴奋性衰退的现象受到环境因素和呼吸动力学的影响，例如高强度刺激后呼吸加速或通过瑜伽练习减轻焦虑。这一现象可以在VRSOM中实现，在羟基脉冲刺激下，VRSOM的PSC呈稳定下降趋势，在施加脉冲后保持稳定。随着羟基含量的增加半岛官方平台登录，PSC的恢复时间明显缩短，这与耗散通道的增加有关。

　　VRSOM有效地复制了艾宾浩斯遗忘曲线所描述的记忆和遗忘特性，持续的光刺激(2.0 mW/cm²和10% RH)引起激发电流的标准上升模式，而在稳定的固定羟基含量(黑暗和10% RH)下，电流松弛与记忆遗忘曲线一致半岛官方平台登录。同时，重复学习的记忆增强现象也被复现。

　　构建了包括VRSOM阵列芯片和扫描读出电路的仿生神经形态多模态传感电路。响应电流通过信号采集模块进行处理并传输到计算机进行表征。机器学习算法与线性判别分析(LDA)模型相结合，用于复杂情感关联行为的验证性分析。促进了复杂情感相关动作还原中多感觉信息的整合，将VRSOM定位为类脑仿真的多模态连接中心。

　　总结：作者利用单层空位诱导氧化MXene实现光载流子捕获和羟基相互作用逃逸，促进光子突触的典型行为。系统实现了多种环境识别和人工神经网络，展示了类人场景识别和视觉化的发展。利用大气和光子可塑性的微妙结合半岛官方平台登录，集成复杂的顺序逻辑系统来实现突触权重的跨模态更新，为开发多功能、交互式神经形态设备铺平了道路。该工作第一作者为大连理工大学机械工程学院博士生谭东宸，特别鸣谢山东理工大学张庆萧老师在MXene材料合成的帮助和支持。