人类大脑作为一种最优的智能感知系统，能够通过视觉、听觉、嗅觉和体感交互将多样化的外部信息传递到不同脑区进行处理。受大脑神经网络的启发，人工突触器件（如忆阻器和晶体管）得到快速发展，并在神经形态计算、人工智能、脑机接口和神经假体等领域展现出广阔的应用前景。然而，目前发展的固态神经形态器件大多以电子或空穴作为信息载体，这与大脑在复杂神经元网络中利用多种离子和分子作为信号载体来调节神经元活动的工作机制完全不同。因此，利用离子作为信号载体，通过调控限域空间的离子传输实现类脑神经形态功能备受关注，但是以光作为刺激源实现纳米流体器件的类脑功能模拟存在诸多挑战。

在国家自然科学基金委、北京师范大学和中国科学院的大力支持下，化学学院脑化学研究实验室毛兰群和蒋亚楠课题组致力于活体脑化学的检测、调控和模拟研究。在前期的研究中，通过合作，他们发展了一种聚电解质限域的流体忆阻器，利用单个器件首次实现了神经化学信号与电信号转导的模拟（Science 2023, 379, 156-161）；通过构建光响应的卟啉基金属有机框架膜（MOFM），发展了一种仿生光响应离子通道与光驱动离子泵（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 12795-12799；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302997），实现了不同光响应机理的仿生离子门控开关和离子主动运输功能的应用。近期，该课题组报道了一种光调控纳米流体离子晶体管，通过不同的光脉冲调控MOFM中的离子传输，实现了突触权重的动态调节。进一步研究发现该器件在光脉冲刺激下可以模拟类兴奋性突触后电流和短期可塑性以及从短期可塑性到长期可塑性的转变过程。此外，通过光调控突触权重，该器件不仅能模拟人类大脑的经验学习行为和巴普洛夫经典条件反射的联想学习过程，还可以通过模式化光脉冲信号实现国际摩尔斯电码（如“BNU”、“HELP”、“HELLO”等）的编码，表明该器件在光学无线通信方面具备潜在的应用价值。

图1 人类视觉感知系统及基于金属有机框架膜模拟神经形态功能的光调控纳米流体离子晶体管

图2 经验学习过程和高级神经形态功能的模拟

相关研究成果近期发表于Angewandte Chemie International Edition期刊（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202418949）。北京师范大学化学学院教授毛兰群、副教授蒋亚楠和中国科学院化学研究所研究员于萍为该论文通讯作者，北京师范大学硕士研究生王娇为第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202418949