Compact Artificial Synapse-Neuron Module with Chemically Mediated Spiking Behaviors

突触 神经元 材料科学 纳米技术 神经科学 生物
作者
Jie Qiu,Pei Chen,Ming Wang,Dongzi Yang,Jie Cao,Meng-Yang Liu,Jie Yu,Xumeng Zhang,Hongfei Cheng,Qi Liu,Ming Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c01406
摘要

Neuromorphic electronic devices mimicking the structure and functionality of biological counterparts have shown promising applications in biorealistic computing and bioelectronic interfaces. However, current neuromorphic systems comprising synapses and neurons typically exhibit complex integrated structures and lack chemically mediated characteristics, hindering them from direct biointerfacing. Here, we report a compact artificial synapse-neuron module (ASNM) by seamlessly integrating an organic electrochemical synaptic transistor and a niobium dioxide Mott memristor, showing the chemically mediated synaptic plasticity and highly stable spiking characteristics (>1010 cycles). Sodium ions and dopamine neurotransmitter induce the short-term and long-term plasticity of synaptic transistors, respectively, thus enabling temporary and long-term modulation of the ASNM's firing frequency in a bioplausible range (0–100 Hz). Furthermore, we construct a chemically mediated artificial neuromuscular system based on the ASNM, which could replicate the learning processes of a shooting basketball. These results demonstrate that our ASNM could achieve multiple biorealistic functionalities including sensing, synaptic plasticity, and spiking in a compact structure, providing a promising way for direct biointerfacing.
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