科學家實現人工神經元突觸的量子成像

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/10/510468.shtm

中國科學技術大學郭光燦院士團隊孫方穩教授課題組和國家同步輻射實驗室/核科學技術學院鄒崇文研究員課題組合作，制備基于二氧化釩相變薄膜的類腦神經元器件，并利用金剛石中氮-空位（NV）色心作為固態自旋量子傳感器，探測了神經元突觸在外部刺激下的動態連接，展示了類腦神經系統中多通道信號傳遞和處理過程。這項研究成果近日發表于《科學進展》。

  ?

類腦神經元動態網絡結構示意圖 中國科大供圖

類腦神經元器件，即通常所說的類腦芯片，是指利用神經形態器件去模擬人腦中的神經元、突觸等基本功能，再進一步將這些神經形態器件聯結成人工神經網絡，以模擬“大腦”的信息處理和存儲等復雜功能。二氧化釩作為典型的氧化物量子材料，在近室溫附近具有可逆的絕緣-金屬相變，是制備高開關比突觸器件的理想材料。

此次研究中，課題組研究人員基于近十年二氧化釩的研究基礎，利用氧化物分子束外延設備，克服了高純相結構的單晶二氧化釩薄膜的制備瓶頸，生長了高質量二氧化釩外延薄膜，并通過微納加工制備了生物神經元和突觸陣列，實現了電場調制和激光誘導下多通道二氧化釩雙端器件的選擇性電路導通，從而直接模擬了神經元之間的突觸動態連接過程。這種突觸之間的連接體現在二氧化釩導電絲的形成和空間位置的選擇性，并直接受到外加電場和作為外加刺激的激光信號的調制。

此外，對于神經元突觸單元之間的動態連接過程，實驗人員創新性利用金剛石NV色心作為固態自旋量子傳感器探測了導電絲的形成和實時成像。由于二氧化釩相變體系的光熱敏感性，相對于傳統的顯微成像技術，比如偏振紅外、拉曼或者近場光學等成像技術，采用基于金剛石NV色心的量子傳感方法避免了成像過程中測量系統激光信號的干擾，從而在外加刺激激光信號調制下突觸單元的動態連接和實時成像研究方面顯示出了獨特優勢。

研究人員介紹，這種量子傳感成像技術清晰揭示了基于二氧化釩類腦神經系統中多通道信號處理和傳導途徑與外在刺激之間的關聯，為構筑大規模人工突觸分層組織和神經形態結構提供直接的實驗依據。