乌得勒支大学的人工突触是怎样的？

乌特勒支大学的理论物理学家与韩国Sogang大学的实验物理学家一起，成功地制造出了人工突触。这种突触在水和盐的作用下工作，首次证明了使用与我们大脑相同介质的系统可以处理复杂的信息。相关成果发表在科学杂志《美国国家科学院院刊》上。

为了提高传统计算机的能效，科学家们长期以来一直从人脑中寻找灵感。他们希望通过各种方式模仿人脑的非凡能力。这些努力导致了类脑计算机的开发，它摆脱了传统的二进制处理方式，采用了类似于我们大脑的模拟方法。然而，我们的大脑是以水和称为离子的溶解盐粒子为介质运行的，而目前大多数受大脑启发的计算机则依赖于传统的固体材料。

这就提出了一个问题：我们是否可以通过采用相同的媒介来更忠实地复制大脑的工作原理？这种引人入胜的可能性正是离子神经形态计算这一新兴领域的核心所在。

突触的图示。突触由胶体球组成，球体之间有纳米通道。资料来源：乌得勒支大学

在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表的最新研究中，科学家们首次展示了一个依靠水和盐的系统，它具有处理复杂信息的能力，与我们大脑的功能如出一辙。这一发现的核心是一个150×200微米的微小装置，它模仿了突触的行为--突触是大脑中负责在神经元之间传递信号的重要组成部分。

乌特勒支大学理论物理研究所和数学研究所的博士生蒂姆-卡姆斯马（TimKamsma）是这项研究的第一作者，他兴奋地表示："虽然能够处理复杂信息的人工突触已经存在，但我们现在首次表明，利用水和盐也能实现这一创举。我们利用与大脑相同介质的系统，有效地复制了神经元的行为"。

该装置由韩国科学家开发，被称为离子电子忆阻器，由一个锥形微通道组成，通道内充满水和盐溶液。在接收电脉冲时，液体中的离子会通过通道迁移，从而导致离子浓度的改变。根据脉冲的强度（或持续时间），通道的电导率会相应调整，从而反映出神经元之间连接的加强或减弱。电导的变化程度是输入信号的可测量代表。

另一项发现是，通道的长度会影响浓度变化消散所需的持续时间。"卡姆斯马阐述说："这表明有可能定制通道，使其在不同的持续时间内保留和处理信息，这与我们大脑中观察到的突触机制类似。

人工突触的显微图片。资料来源：乌得勒支大学

这一发现的起源可以追溯到卡姆斯马不久前开始博士研究时的一个想法。他将这个以利用人工离子通道完成分类任务为中心的想法转化为一个强大的理论模型。

卡姆斯马回忆说："巧合的是，在此期间，我们与韩国的研究小组有了交集。他们以极大的热情接受了我的理论，并迅速启动了基于该理论的实验工作。令人惊讶的是，仅仅三个月后，初步研究结果就出来了，与卡姆斯马理论框架中的预测非常吻合。见证从理论猜想到实际成果的转变，最终产生这些漂亮的实验结果，令人无比欣喜。"

卡姆斯马强调了这项研究的基础性，并着重指出，离子神经形态计算虽然发展迅速，但仍处于起步阶段。设想中的结果是，与当今技术相比，计算机系统在效率和能耗方面具有极大的优势。然而，这一愿景能否实现，目前仍是猜测。不过，卡姆斯马认为该出版物是向前迈出的重要一步。

他断言："这标志着计算机不仅能够模仿人脑的通信模式，而且还能利用相同的媒介，这是一个至关重要的进步。或许，这最终将为计算系统更忠实地复制人脑的非凡能力铺平道路。"