神经元的动作电位就可以驱动电子器件？麻省大学Nature Communications：用细菌制作生物电级别忆阻器

【引言】

人脑可以高效的处理各种数据并进行决策，这种生物行为归功于脑神经元的复杂联系。类脑计算是人们探索出的一种新型计算方法，旨在通过模拟神经元间的相互作用从而达到类似大脑的低功耗计算能力。忆阻器，作为一种可以模拟神经元突触的电子器件，已经广泛被应用到了类脑计算中。人们通过给忆阻器两端施加不同的电压，从而使其电阻呈现出不一样的阻值。然而，现有忆阻器的开启电压普遍在0.2 V到2 V之间，远远超过了生物体内的生物电幅值（50-120 mV）。由于功耗与信号幅度平方呈正比关系，忆阻器对于神经元的模拟尚未达到如同生物系统的超低功耗要求。因此，一种可以工作在生物电压级别的类脑电子器件无论对低功耗类脑计算，还是对电子-生物直接交互都有重要意义。

【成果简介】

近日，美国麻省大学（Amherst分校）姚军教授（通讯作者），联合微生物学家Derek R. Lovley教授，以及 Jianhan Chen 教授, Joshua Yang 教授在Nature Communications上发表了题为“Bioinspired bio-voltage memristors”的研究论文。论文的第一作者为博士生付天达。作者通过使用从硫化土杆菌中提取出的蛋白质纳米线实现了生物电级别的忆阻器单元。这是该课题组今年继使用该种材料在空气中发电（Nature 578， 550-554 （2020））之后，对于蛋白质纳米线应用的又一成功探索。该忆阻器（结构：Ag/Protein/Pt）使用蛋白质纳米线作为两个电极之间的介电层，实现了58 mV±10 mV的稳定开启电压，并且可以循环使用10000次以上。另外，由忆阻器构建的人造神经元不仅以生物动作电位（例如100 mV，1 ms）起作用，而且还表现出与生物神经元接近的时间整合。最后，团队还阐述并展示使用忆阻器直接处理生物传感器的潜力。

该团队提出了‘催化忆阻器’的概念：金属丝状忆阻器（metallic filament memristor）的开关过程主要涉及金属的氧化，迁移和还原过程；另一方面，具有蛋白质纳米线的硫化土杆菌具有金属还原能力。因此团队尝试把这种对金属的还原行为引入到忆阻器的概念中，从而催化忆阻器导电金属丝的还原与形成。

【图文导读】

图1 催化忆阻器的方案

1、催化忆阻器原理示意图；

2、催化作用降低金属还原过电位；

3、催化作用降低忆阻器阈值电压；

4、硫化土杆菌和提取出的蛋白质纳米线TEM图像；

5、蛋白质纳米线加速忆阻器中银离子还原示意图。

图2 生物电压级忆阻器性能

1、生物电压级忆阻器平面结构示意图；

2、忆阻器（平面结构）I-V测试曲线（50次）；

3、忆阻器（平面结构）在不同限流下的I-V测试曲线；

4、忆阻器（平面结构）对于脉冲信号的响应；

5、生物电压级忆阻器垂直结构照片和示意图；

6、忆阻器（垂直结构）I-V测试曲线（1000次）；

7、忆阻器（垂直结构）阈值电压统计图；

8、忆阻器（垂直结构）循环性测试（10000次）。

图3 对催化忆阻器机理的讨论

1、忆阻器的SEM照片（I 施加电压前，II施加电压后，III 移除蛋白质纳米线）；

2、不同湿度下蛋白质纳米线的红外光谱图；

3、不同湿度下的蛋白质忆阻器阈值电压；

4、Ag氧化还原CVs曲线（Au/ptotein和Au/SiO₂电极对比图）。

图4 使用忆阻器构建的人造神经元

1、神经元兴奋性突触后电位（EPSP）示意图；

2、忆阻器金属丝形成的动力学示意图；

3、由忆阻器构成的integrate-and-fire人造神经元示意图；

4、在低频（50Hz）脉冲和高频（900Hz）脉冲下人造神经元的激活；

5、在低频（50Hz）脉冲和高频（900Hz）脉冲下人造神经元激活所需的脉冲数统计；

6、在不同频率下人造神经元激活所需的脉冲数统计。

图5 使用忆阻器构建的人造突触

1、人造突触模拟示意图；

2、使用人造突触模拟的PPF和PPD过程；

3、不同脉冲输入频率下，人造突触的强度（导电性）变化。

图6 忆阻器在生物信号处理上的应用

1、使用人造神经元构建的人体脉搏监测系统；

2、正常脉搏频率（1.16Hz）不能激活神经元；

3、快速脉搏频率（3Hz）可以激活神经元并产生动作电位；

4、快速脉搏频率（3Hz）下，激活神经元所需的脉冲数量统计。

【小结】

本文展示了一种新型的生物电压级别的忆阻器，其阈值电压可以稳定在58 mV±10 mV。超低的阈值电压可以归功于促进阴极银离子还原的蛋白质纳米线。基于此，团队搭建了有关类脑计算的单元，例如生物电位下作用的人造神经元和突触。文章指出这种新型的电子器件不仅可以应用到低功耗的类脑计算，还对电子-生物直接交互有重要意义。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15759-y