向脑机接口迈进，西安交大Nat.Electron.：高频感知的人工神经

神经电子学结合了神经和电子功能，可用于开发医疗和脑机接口。人工神经旨在通过受体、胞体和突触的协调功能，捕获、整合和传递微弱的高频信号到下游神经或效应器。为了将这种人工神经与生物神经系统无缝整合，这些设备需要具备感知、处理和记忆能力。因此，人工神经的构建块通常需要同时表现出易失性和非易失性行为。在易失性模式下，移除栅极电压后，通道电导将返回到其初始状态。在非易失性模式下，电导水平保持不变。场效应晶体管和氧化还原忆阻器的复杂异质集成已被探索作为提供这些功能的潜在途径。然而，这种系统因缺乏化学调节行为而受到限制。异质性引起的问题还会导致集成密度低以及不同元件之间电阻、频率和电压不匹配。

有机电化学晶体管 (OECT) 可以提供化学调制操作、生物相容性和内在灵活性。先前的研究还表明 OECT 可以执行多种传感、处理和记忆功能。在生物神经中，神经元放电和突触增强由正动作电位（正栅极电压 + V _GS ）触发，从而对神经相关阳离子（例如， Ca ²⁺ 、 K ⁺ 和 Na ⁺ ）和神经递质（如多巴胺和谷氨酸）具有高度敏感性。 n 型 OECT 遵循类似的正电位触发增强行为，因此，这种 n 型器件可用于互补电路，这是人工神经的关键组件。然而， n 型 OECT 的性能落后于 p 型 OECT 。在易失性模式下， n 型 OECT 的品质因数（跨导 / 响应时间比， g _m /τ ）比 p 型 OECT 低约 100 倍，这主要是因为离子和电子传输效率低下。在非易失性模式下，这些设备提供的记忆频率有限，不到 10 Hz ，状态保留时间较短。这些功能限制了人工神经的使用，特别是对于生物信号的精确感知、编码和记忆，这些信号的幅度低、频率高（动作电位约为 50 mV ，高达 1 kHz ）。

西安交通大学马伟教授、赵超、王炳俊等研究人员 描述了基于 OECTs 的高频人工神经电路，制作了顺序沉积的垂直 n 型有机电化学晶体管（ sv-OECTs ），它们在易失性和非易失性模式下都具有快速的响应速度，使其非常适合模拟定制的高频人工神经电路中的受体、胞体和突触，包括脉冲和非脉冲神经元。与之前报道的 OECT 相比，该 sv-OECTs 是通过在半导体聚合物顶部顺序沉积 n 型亲水掺杂剂来制造的，以在垂直通道中形成梯度混合双连续结构（ GIBS ）。双连续结构可以增强材料和器件的电气和机械性能。 GIBS 增强了离子和电子的传输，实现了快速电导调制，同时保持了长期离子存储，这对于电导记忆至关重要。该晶体管表现出 27 μs 的挥发性响应、 100 kHz 的非易失性存储频率和长状态保留时间。集成人工神经包含垂直 n 型和 p 型有机电化学晶体管，可在高频域提供感知、处理和记忆功能。同时，人工神经可以整合到神经功能受损的动物模型中，并且可以模仿基本的条件反射行为。

相关研究成果2025年3月10日以“ A high-frequency artificial nerve based on homogeneously integrated organic electrochemical transistors ”为题发表在 Nature Electronics 上。

新型人工神经的设计与实现 ：开发了一种基于有机电化学晶体管（ OECT ）的高频人工神经，能够实现感知、处理和记忆功能。这种人工神经采用了垂直 n 型有机电化学晶体管，具有梯度混合双连续结构，同时增强了离子和电子的传输和存储能力。

优异的性能表现 ：所研制的垂直 n 型 OECT 展现出快速的响应速度，在易失性模式下响应时间为 27 微秒，在非易失性模式下具有 100 千赫兹的存储频率和较长的状态保持时间。其定制化的人工神经电路能够在高频域内实现感知、处理和记忆功能。

创新的结构设计 ：通过构建梯度混合双连续结构（ GIBS ），解决了离子与电子传输之间的权衡问题，避免了传统优化策略中常见的传输和存储之间的矛盾。这种结构不仅增强了离子和电子的传输，还保持了长期的离子存储能力。

生物相容性和应用潜力 ：该人工神经能够集成到具有受损神经功能的动物模型中，并模仿基本的条件反射行为。实验表明，其具有良好的生物相容性，为神经修复和脑机接口等生物医学应用提供了新的可能性。

图 1. 基于 n 型 sv-OECT 的人工神经

图 2.sv-OECT 的工作原理

图 3. 基于 sv-OECT 的定制人工神经电路

图 4. 基于 sv-OECT 的灵活 CMAN

图 5. 用于生物神经替代的 CMAN