三端晶体管的人工突触器件:材料、结构与系统

神经形态工程学旨在从硬件层面上构建人工仿生神经系统,模拟人脑独特高效的运行机制,进而实现神经形态感知和类脑计算功能.生物突触是人脑学习和记忆的基本结构与功能单元.因此,构建类生物突触结构、功能的电子器件是实现神经形态感知与计算的关键.相较于两端的阻变器件,三端突触晶体管在实现多态调控和降低能量消耗上都具有优势.此外,三端突触晶体管还可以将压力、温度等外界物理刺激转化为电信号,在采集视觉、听觉、嗅觉等信号来工作的人造感知神经系统方面有广阔的应用前景.本文综述了三端突触晶体管的材料选择、器件结构以及功能应用,并重点介绍了基于三端突触晶体管的人造视觉、听觉和嗅觉三种感知系统的最新进展.最后,总结了三端突触晶体管及其构建的人造感知系统面临的挑战,并对其未来发展进行了展望.     

基于Tet-On 3G的IFITM3诱导表达MDCK细胞系的建立及功能分析

利用Tet-On 3G系统构建了含人IFITM3基因的真核表达质粒pTRE3G-IFITM3,并将其与调控质粒pLVX-Tet3G共转染犬肾细胞(MDCK),转染后48 h用G418和嘌呤霉素进行筛选,用多西环素(Dox)对获得的细胞系进行诱导表达鉴定,并进行Dox敏感性分析、IFITM3~+细胞百分数及定位分析.用含萤光素酶(Luciferase)报告基因的禽流感病毒H5/H7蛋白或VSV G蛋白包裹的假型慢病毒颗粒进行感染实验,检测萤光素酶活性.结果表明,筛选获得了携带人IFITM3的MDCK诱导表达细胞系,且IFITM3表达量与Dox剂量和诱导时间相关;确定Dox工作浓度为2.5μg/mL,诱导12 h时IFITM3~+细胞数达75%以上,且IFITM3在晚期内体/溶酶体存在分布;假型病毒感染及萤光素酶活性分析表明,IFITM3可显著抑制禽流感病毒H5,H7和VSV G蛋白介导的病毒进入,为深入探究其具体的抑制机制奠定了基础.     

禽流感病毒HA蛋白与人受体的分子对接

血凝素(hemagglutinin,HA)是位于禽流感病毒表面的糖蛋白。在病毒感染过程中,HA与禽类宿主细胞表面受体结合,介导病毒膜与宿主核内体膜的融合,在传染过程中发挥关键作用。自然界中的禽流感病毒处于不断演化之中,其HA的禽受体结合位点常常发生氨基酸变异。因此,当HA变异体与人受体结合能力较强时,禽流感病毒往往会发生跨种传播而感染人。为预防禽流感的跨种传播,人们迫切需要发展大规模快速检测或预测HA变异体与人受体结合亲和力的方法,以评估各种新发禽流感病毒的跨种传播能力,提前筛选出有潜在危险的病毒株。针对此问题,本研究以H7N9亚型的HA蛋白H7为研究对象,发展了一种运用分子对接的计算方法,预测HA变异体与人受体的结合亲和力。该方法的计算结果表明,H7与人受体的结合亲和力普遍弱于有较强传染人能力的H1,说明H7N9亚型病毒的跨种传播能力普遍较弱;但是,计算分析也揭示,部分新发的H7N9毒株的HA有强的人受体结合亲和力,提示在自然演化过程中,H7N9病毒有可能演化出具有较强的感染人能力的新毒株,这与2013年禽流感疫情的实际发生情况相一致。因此,本文所发展的计算方法可用于快速预测新发禽流感病毒HA与人受体的结合亲和力,为新发禽流感病毒的跨种传播风险评估提供理论依据。     

基于有机光电突触晶体管的储池计算网络

随着人工智能技术的快速发展,兼具高能效智能感知和计算的光电神经形态受到了广泛的关注.为了增强神经形态器件对不同应用场景的普适性,构建突触塑性能够灵活可调制的神经形态器件和电路至关重要.本文设计了一种基于非对称电极结构的有机突触晶体管,并利用液相制备的大面积有机超薄半导体作为光感知和计算材料.该光电突触晶体管表现出典型的光刺激后突触电流(excitatory postsynaptic potential, EPSC)、双脉冲易化(paired-pulse facilitation, PPF)和脉冲强度依赖塑性(spike-amplitude-dependent plasticity, SADP),可以实现高能效的图像降噪预处理.为了进一步满足储池计算对于突触塑性可调性和网络非线性的要求,我们制备有机n型晶体管,设计了一个基于p型和n型晶体管的突触模拟电路.该突触电路可实现从短程塑性(short-term synaptic plasticity, STP)到长程塑性(long-term synaptic plasticity, LTP)的高度可调性,以及可配置的双脉冲易化特性,显著增强了突...     

二价HIV-1融合抑制剂的设计、合成与活性评价

针对人免疫缺陷病毒跨膜糖蛋白(HIV-1 gp41)N末端重复序列靶标设计二价融合抑制剂, 以C肽为模板, 通过共价交联形成类似发夹结构的相互平行的2条肽链, 研究了二价C肽分子不同连接位点与不同连接臂对抗HIV融合活性的影响. 细胞-细胞融合活性测试表明, 与单价分子相比, 所设计的基于N末端交联的C34或T20的二价分子在前体共价交联后, 活性明显提升. 基于C34或T20的N末端与C末端均存在发生协同效应的可能性, 在C34的N末端设计中β-丙氨酸为最适连接臂, 而在C末端的设计中C34C的融合活性提高最大. 单价分子CβAC34经过氧化形成二硫键连接的二价分子BiCβAC34, 融合活性从43.7 nmol/L提高到6.4 nmol/L, 表明二价抑制剂中2条C肽链间具有良好的协同效应. 本文结果表明, 针对gp41靶标设计的二价融合抑制剂能够相互协同.     

短尾蝮新突触前毒素和细胞毒素的纯化及部分序列

用反相高效液相色谱技术对中国产短尾蝮蛇(Agkistrodon blomhoffii brevicaudus)毒中的毒性蛋白重新进行了纯化,结果从中获得了3个由约122个氨基酸残基构成的毒蛋白(AgTx-1,AgTx-2和AgTx-3)。三者对小鼠的LD_(50)分别为0.075,0.51和6.6mg/kg。在小鸡颈二腹肌标本上的毒理分析表明,AgTx-1和AgTx-2均在阻遏接头传递之后,亦不影响肌肉对乙酰胆碱的敏感性。在AgTx-3的作用下,标本的间接收缩则由于舒张不全而逐渐变小,最后停止在挛缩状态。部分氨基酸序列测定结果又表明,AgTx-1和AgTx-2的N-端32肽序列完全相同。考虑到AgTx-1的LD_(50)在粗毒中的含量及其序列等均与前文报道的β-AgTx极为相似,故我们认定它们为同一毒素,并定名为β_1-AgTx。而AgTx-2则应是新的突触前毒素,相应地定名为β_2-AgTx,至于AgTx-3便是新发现的细胞毒素。     

肽受体跨膜镶嵌的人工细胞膜的构建: 细菌组氨酸蛋白激酶跨膜区多肽在合成肽脂囊泡上的镶嵌

选择agr I型金黄色葡萄球菌ATCC 6538组氨酸蛋白激酶AgrC蛋白六个跨膜区中与跨膜信号转导过程最密切的一条肽链为受体, 将此多肽采用超声法镶嵌到人工细胞膜上, 采用透射电镜和原子力显微镜对其形态进行了分析, 发现大部分囊泡及镶嵌体系的单个形态为均一球状, 直径大小在50～200 nm范围内. 考察悬浮液pH、体系温度及浓度等因素对其稳定性的影响, 发现在pH为7.0, 温度不超过30 ℃, 多肽和N^＋C₅Ala2C₁₆的物质的量之比为1∶100时, 镶嵌体系的稳定性最强. 同时, 通过圆二色谱、差示扫描量热分析等手段对镶嵌模型进行表征, 分析发现多肽分子能稳定地插入双层膜囊泡中, 且能主动地插入形成镶嵌体系.     

基于氨基酸模糊聚类分析的跨膜区域预测

跨膜蛋白在进化过程中，序列保守性较差，即使是同源蛋白序列的一致性程度也较低，因而在跨膜区预测算法中，通过序列的一致性程度来选取训练集并不能有效地消除预测结果对训练集的过度适应性．本文提出了一种基于氨基酸模糊聚类分析的预测算法，通过氨基酸在各个区域分布的相似性程度进行模糊聚类，从而根据一类氨基酸的分布特性而不是各个氨基酸的分布特性进行跨膜区预测．结果表明，该方法能在一定程度上消除训练集的选取对测试结果的影响，提高跨膜蛋白拓扑结构预测的准确度，特别是提高对目前知之甚少的跨膜蛋白的预测准确度．     

虎蝾螈视网膜水平细胞接收的光感受细胞的突触输入

本文在虎蝾螈分离视网膜上研究了水平细胞接收的来自视杆和视锥的突触输入,并考察了在暗、明适应条件下视杆、视锥及水平细胞的反应振幅-光强曲线。光谱敏感性和反应波形。水平细胞在暗、明适应条件下均接收来自视杆、视锥的混合输入。两种光感受器输入的相对比例随细胞而异,并取决于刺激光和背景光的强度。     

脊髓背角投射性神经元的外周传入输入

在麻醉麻痹猫的腰骶髓背角,用玻璃做电极记录了脊髓投射性神经元的逆、顺向反应,并用条件-检验刺激方法,观察了颈髓刺激对有关神经元顺向反应的影响。经颈髓法逆向刺激鉴定出的脊颈束-背索突触后等三类同侧投射的投射神经元中,低阈机械感受型和广动力范围型的神经元分别为46％和54％。大多数低阈机械感受型神经元对腓神经10T和50T刺激发生相似的反应;大多数广动力范围型投射神经元对50T刺激的反应强于对10T的反应。条件性颈髓逆向刺激下,大部分广动力范围及小部分低阈机械感受型神经元的检验性顺向反应放电数目明显减少。结果提示,低阈机械感受型和广动力范围型脊髓投射神经元均可对外周Aβ及部分Aδ传入发生反应;颈髓背索或背外侧索中含有对有关投射神经元具有抑制作用的下行纤维成分。     

多溴二苯醚对体外培养海马神经元生长的影响

多溴二苯醚(PBDE)是一种普遍存在的持久性环境污染物, 对其毒效应的研究工作已引起广泛关注. 然而, PBDE神经毒性的研究工作仍处于起步阶段, 相关报道不多. 以原代培养的大鼠海马神经元暴露于商品用的十溴代PBDE(deca-BDE), 借助激光共聚焦显微镜采图, 考察了PBDE对神经元生长发育的影响. 15 μmol/L deca-BDE暴露明显抑制了神经元突起的生长, 包括突起长度和分叉均显著性地降低, 神经元突触的形成和发育成熟也受到了明显的抑制. 以上结果有力证明了PBDE对体外培养神经元具有明显的神经毒作用.     

脊髓背角神经元同孤束核及背索核的投射联系

在以戊巴比妥钠麻醉的大鼠上,应用电刺激孤束核(SN)和背索核(DCN)以及腰髓背角微电极记录技术,发现并鉴定脊髓神经元的轴突投射和传入支配。在腰髓背角Ⅲ—Ⅴ板层共记录和鉴定了92个神经元。其中38个神经元可被SN和DCN双重地逆向激动;其余54个神经元既对SN又对DCN的刺激发生突触反应;8例发生双重逆向反应的神经元还对SN和/或DCN的刺激发生突触反应。逆向和突触反应的传导速度均属Aδ纤维,但前者较快,后者较慢。结果提示,(1)有些脊髓神经元发出较粗的Aδ分叉轴突,向SN和DCN进行双投射;(2)这种双投射神经元有的还从SN和/或DCN接受较粗Aδ纤维支配;(3)另一些脊髓神经元受来自SN和DCN较细Aδ纤维的双重支配。     

ODA—H2O2—HRP偶合反应伏安酶联免疫分析检测植物病毒GTV,TAV和PVY

将邻联茴香胺（ＯＤＡ）－Ｈ２Ｏ２－辣根过氧化物酶（ＨＲＰ）偶合反应伏安酶联免疫分析新体系，应用于植物病毒葡萄扇叶病毒（ＧＦＶ）、番茄不孕病毒（ＴＡＶ）和马铃薯Ｙ病毒（ＰＶＹ）的测定。该法对以上各种植物病毒叶澄清液的测定的稀释比均高于酶联免疫吸附分析（ＥＬＩＳＡ）法，检测范围均宽于ＥＬＩＳＡ法。     

基于吸收互补有机半导体本体复合薄膜的高性能柔性光突触晶体管

采用光吸收互补的聚(3-己基噻吩)(P3HT)和引达省并二噻吩-苯并噻二唑共聚物(PIDT-BT), 通过溶液法制备了两者的本体复合异质结构有机半导体薄膜, 并研究了薄膜的表面结构和光电性质. 将PIDT-BT:P3HT复合薄膜作为一类新型光敏沟道层, 与聚电解质介电材料相结合, 制备了高性能柔性低电压光突触晶体管. 考察了不同光刺激条件对光突触晶体管性能的影响及半导体机制, 发现PIDT-BT:P3HT器件具有明显光突触特性, 并且相较于单纯PIDT-BT或P3HT器件具有更高响应的兴奋性突触后电流. 基于PIDT-BT:P3HT薄膜的光突触器件, 在绿红双色光刺激下的响应大于两种单色光分别刺激的响应之和, 表明附加光刺激可调控器件的记忆效率. 该研究为发展高性能光响应半导体薄膜及柔性低功耗光突触器件提供了新策略.     

探索脑化学纳米电化学监测单细胞、单囊泡、突触间隙释放化学信号分子及形貌分析

针对已有的微米及纳米电化学监测单囊泡、单突触及突触间隙释放, 扫描电化学显微镜用于单细胞释放前后形貌变化的定量分析, 微流控与阵列电极集成芯片, 用于细胞灌注培养及监测释放化学信号分子的研究工作进行了评述. 同时, 对近几年此领域的前沿研究进行了简要评论, 并对其未来发展提出了一些新的观点.     

无标度神经元网络化学突触耦合诱导的依赖于时滞的同步转迁（摘要）

研究表明,神经元体系中化学突触耦合较电耦合更加普遍.本文研究了时滞无标度热敏神经元网络中化学耦合诱导的同步转迁现象.发现,不同延迟时间下有不同形式的同步转迁行为.无时滞情况下,出现从混沌簇放电到簇同步转变;对于较小的延迟时间,从混沌簇放电到峰放电同步;对于较大的延迟时间,则间歇性地出现从混沌簇放电到峰放电的多次同步转迁.这表明,化学突触耦合诱导的同步转迁行为强烈地依赖于时滞大小.这一发现可以帮助人们更好地了解时滞和化学耦合共同作用下神经元的放电活动.     

Ni2+和Cd2+跨人红细胞膜的比较研究

以往对金属离子跨红细胞膜转运多集中在体内的宏量金属离子, 如Na+, K+, Ca2+, Mg2+及某些必需的重金属元素Fe2+, Cu2+, Zn2+等[1～3], 对其它重金属离子的跨膜转运研究较少. 我们曾研究了具有不同电荷的Co(Ⅲ)配合物的红细胞摄入动力学及机理[4]. 在此基础上进一步选择离子电荷数相同, 但电子组态不同的两个金属离子Ni2+和Cd2+为研究对象. Ni2+为d8组态, 动力学上是惰性的, 为体内必需的微量元素; 而Cd2+为d10组态, 动力学上是活性的, 却为有毒重金属, 本研究比较了它们跨人红细胞膜传递的动力学以及其与人红细胞作用的差异性.     

基于MEH-PPV:PCBM体异质结的有机人工光电突触

在识别与处理视觉信息、完成复杂的学习和记忆方面,集光学传感和突触功能于一体的人工光电突触表现出巨大的优势.目前已报道的光突触器件功能实现形式相对单一且不稳定,因此需要探索更多基于新材料和新结构的突触器件,以处理复杂多变的视觉信息.本研究采用了有机半导体材料聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)和[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)构建垂直型光调控忆阻器,展现了其在处理视觉信息和模拟神经形态行为方面的优异性能.该器件通过体异质结实现了稳定、缓变的阻值变化,成功模拟了电压调控的长时程增强/抑制,呈现多种光电协同调控的突触可塑性.此外,该器件还成功模拟了人类视觉神经系统中的图案识别与记忆功能,证明了其在开发下一代人工视觉系统方面的应用潜力.     

有机神经形态机器视觉器件及系统

随着有机半导体材料及其器件的快速发展,有机电子学在可穿戴设备、人工智能等发面取得快速发展.有机半导体材料具有成本低、生物相容性好、光谱响应可调、柔性度好等优势,在光电器件等新兴智能感知领域显示出巨大的商业应用潜力,同时也是制造柔性仿生视觉传感器不可或缺的组成部分.本文从有机光电材料分类及用于视觉仿生感知的光电器件层面重点介绍了近年来人工神经形态视觉智能传感系统的研究进展,包括应用较多的视觉触觉多感集成系统.最后阐述了发展有机仿生视觉系统的重要意义与现存挑战以及展望,为将来有机视觉感知应用及多感集成提供可行的研究方向.