Nat. Electron.:有机人工尖峰神经元用于原位类脑传感

摘要

摘要图
本研究提出了一种基于非线性有机电化学元件的有机人工尖峰神经元(OAN)。该神经元能在液体环境中运行,对其周围的离子浓度和生物分子(如多巴胺)敏感,并表现出与生物环境相匹配的尖峰行为。通过整合有机离子电子混合导体,OAN具备电化学尖峰能力,能够原位感应生物信号并实时与生物膜协同作用。此研究为开发具备高生物兼容性与动态响应能力的神经形态电子器件提供了全新方案。

关键词

  • 有机人工神经元 (Organic Artificial Neuron)
  • 神经形态传感 (Neuromorphic Sensing)
  • 生物界面 (Biointerfacing)
  • 电化学尖峰行为 (Electrochemical Spiking Behavior)
  • 多离子传感 (Multispecies Ion Sensing)
  • 生物膜集成 (Biological Membrane Integration)

研究背景

模仿生物神经元的电化学行为对类脑电子学的发展至关重要。然而,现有的人工神经元在实现与生物环境的直接界面上存在局限性,难以与真实的生物信号进行动态交互。有机电化学器件因其软性材料特性和对离子信号的高灵敏度,在实现生物兼容电子器件方面显示出巨大潜力。本研究旨在通过引入基于有机离子电子混合导体的人工尖峰神经元,探索其在生物相关环境中的动态尖峰行为以及在生物膜界面上的协作能力。

创新点

  • 提出了由两个有机电化学晶体管构成的紧凑型非线性元件。
  • 实现了人工尖峰神经元的原位离子与生物分子响应。
  • 构建了与上皮细胞膜协同作用的生物杂合界面。
  • 展现了动态尖峰行为的稳定性和可调节性。

研究内容

本研究构建了一种仅由两个有机电化学晶体管(OECTs)构成的紧凑型非线性元件(OEND),通过其负微分电阻特性实现尖峰行为。该器件通过感应离子(如钠、钾)和生物分子(如多巴胺)的浓度变化,展现了类生物神经元的尖峰动态行为。实验表明,OAN在典型生理浓度范围(5-150 mM NaCl)下稳定运行,并能够通过离子选择性膜实现对特定离子的尖峰响应。此外,通过在电路中引入生物膜(如上皮细胞层),验证了OAN在生物界面中的动态交互性能。结合多种电化学与生物实验方法,该研究深入探讨了人工尖峰神经元在不同环境下的动态稳定性、离子灵敏性及其对生物信号的即时响应能力。

图1
图1 | 生物神经元和有机人工尖峰神经元(OAN)。

(a) 简化的生物神经元示意图。动作电位由快速跨膜离子交换通过离子通道生成,并沿轴突传播。髓鞘化细胞的髓鞘/无髓鞘交替结构(朗飞结)促进了动作电位的快速和长距离传播。生物神经元浸没在电化学环境(如水性电解质)中,这一空间储存了各种用于信号传递和处理的生物载体(如离子和生物分子等)。 (b) OAN 的电路图。OAN 的核心是显示 S 形负微分电阻(S-NDR)特性的有机电化学非线性元件(OEND),其对生物环境中的离子和生物分子敏感。OEND 由两个 OECT 组成,分别为 T1(耗尽型)和 T2(增强型),通过反馈电阻器 R1 和 R2 连接。 (c) OECT 通道由有机混合离子-电子导体(OMIEC)如 PEDOT:PSS 组成,与电解质直接接触。 (d) PEDOT:PSS 的传感机制,离子与通道的交互调制其掺杂水平,从而影响漏极电流 \(I_D\) 和阈值电压。

图2
图2 | OEND 的非线性现象和分叉行为。

(a) OEND 的 V(I) 模式(施加电流扫并测量电压)和 I(V) 模式(施加电压扫并测量电流)的非线性特性。在 I-V 平面中的参数振荡和时间域中的电流-时间波形。 (b) OAN 在不同电容(C = 1−10 µF)下的规则(音调式)尖峰电流 Iout。 (c) 电压控制振荡器的频率响应,显示输入电压差分(\(\Delta V_{\text{in}}\))与尖峰频率(\(f_{\text{fir}}\))的关系。 (d) 固定输入电压时的 OAN 连续尖峰响应,包含 50 次、3.5 × 104 次和 1.05 × 105 次尖峰循环的波形稳定性。

图3
图3 | 有机人工尖峰神经元。

(a) 电化学振荡介导的神经元尖峰。OAN 偏置输入电压并通过 T1 和 T2 的电解质介质观察到相位依赖的尖峰发射行为。 (b) 液相中的尖峰延迟,显示发射相位延迟(\(\Delta \phi\))与输入电压差分(\(\Delta V_{\text{in}}\))的关系。 (c) 液相中的时间整合,显示尖峰发射与刺激间隔时间或占空比的关系。 (d) 噪声诱导的神经元尖峰,随电解质介质中白噪声幅度的变化(Vpp = 5−150 mV)从音调发射过渡到爆发式发射。

图4
图4 | 基于尖峰的神经形态传感。

(a) OAN 在不同离子浓度(如 NaCl)下的尖峰响应波形。 (b) OAN 的离子浓度控制振荡器,显示尖峰频率(\(f_{\text{fir}}\))与 NaCl 浓度的关系,红虚线表示常见生理和病理条件下的范围。 (c) 电解质诱导的 OAN 兴奋性,显示 NaCl 浓度的微小变化(2−10%)如何增强神经元兴奋性并引发尖峰。 (d) 含有多巴胺的电解质溶液(0.1−2.0 mM)如何诱导 OAN 的兴奋性和尖峰行为。 (e) 离子选择性 OAN 的实现,例如对 K+ 离子显示选择性响应但对 Na+ 离子无响应。

图5
图5 | 生物混合神经元用于神经形态生物界面。

(a) Caco-2 细胞培养的光学显微照片(代表 10−15 次相似实验),用于生物混合神经元的生物膜模型,免疫染色验证生物膜的屏障功能。 (b) 包含生物膜的 OAN 的生物混合神经元示意图,显示无生物膜、具有生物膜及其毒素诱导破坏后的尖峰行为变化。

结论与展望

本研究开发的OAN能够在生物相关的水环境中实现尖峰行为并与生物膜实时交互。这种具有高生物兼容性的人工神经元为探索类脑计算、开发智能生物传感器以及研究生物膜功能提供了新的平台。未来的研究可进一步优化OAN的集成度与功耗,并探讨其在复杂生物信号环境中的性能。

论文直达

原文标题:An organic artificial spiking neuron for in situ neuromorphic sensing and biointerfacing

原文卷期号:Nature Electronics 2022, 5, 774–783

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