人类感知的外界信息中约80%来自视觉。生物视觉系统不仅能够高效感知光学信号，还能在复杂的神经网络中进行存储和处理。不同于人工电子器件，生物视觉依赖离子和神经递质在水性环境中进行化学信号交流：感光细胞将光信号转换为化学和电信号，通过神经递质释放传递信息，最终在大脑中形成视觉感知。这种电解质介导的化学-电过程是视觉功能的基础，也对人工视觉器件提出了全新挑战。
近年来，能够模拟突触可塑性的有机光电化学突触器件发展迅速，广泛应用于人工视觉系统。然而，传统有机光电化学突触器件通常基于晶体管架构，依赖外部电源供电，需要额外的电子元件模拟生理反应，导致电路设计复杂、能耗高，更关键的是无法在生物体液环境中工作，严重限制了其在生物体内的应用潜力。
日前，课题组成功开发出一种生物拟真自供电有机光电化学突触（SOPECS）。该器件采用电化学工作站结构，在生物相容的水性环境中运行，通过内部光电响应与外部电解质介导反应之间的相互作用，实现了零电功耗的突触行为。值得注意的是，在活细胞培养条件下，该器件不仅成功复现了氧化应激诱导的视觉损伤，还首次展示了视觉自我恢复能力，为构建自主神经形态视觉系统提供了全新平台。相关工作以"Biorealistic vision enabled by self-powered organic synapses operating via photo-chemical dynamics"发表在期刊《Matter》上。
要点一：分子工程调控电荷传输与突触性能
研究团队设计合成了两种结构类似的非富勒烯受体Y-SeO和Y-SO，通过硫族原子（S vs. Se）替换系统调节材料特性。理论计算和实验表明，Y-SeO分子内具有更强的Se···O非共价构象锁，使分子骨架更平整、重组能更低，有效促进了电荷传输过程。飞秒瞬态吸收光谱显示，Y-SeO共混薄膜的激子扩散速率（26.68 ps）和解离速率（1.75 ps）均显著优于Y-SO。瞬态光电压测试表明，Y-SeO器件的载流子寿命长达28.04 μs，电荷提取效率高达98.6%。这些分子层面的精细调控，使得基于Y-SeO的SOPECS在突触响应大小、响应持续时间和可塑性方面均展现出显著优势，突触后电压变化（ΔPSV）达到19.60 mV，远高于Y-SO的6.65 mV。
要点二：优异的突触可塑性与多光谱响应
在生物突触中，双脉冲易化指数（PPF）是反映短时可塑性的关键特征。基于Y-SeO的SOPECS器件展现出高达305%的PPF值，远高于Y-SO器件的160%，并符合生物突触的双指数衰减特性。器件对450 nm（蓝）、520 nm（绿）、635 nm（红）及808 nm（近红外）光均表现出稳定的突触响应，实现了宽光谱视觉感知。通过调节光脉冲的频率、强度和数量，可以精确调控突触权重，模拟生物学习记忆过程。连续光刺激下，Y-SeO器件的突触响应持续超过3000秒，是Y-SO器件的两倍以上。器件还展现出优异的操作稳定性，连续工作2000次光脉冲后性能依旧，在空气中存放30天后仍能保持95%以上的初始效能。
要点三：电解质介导的化学电突触机制
研究深入揭示了SOPECS的工作机制：光照下BHJ层产生电子-空穴对，电子与溶液中H⁺反应生成H2，空穴则在电极积累形成突触后电压。气相色谱分析证实了H2的生成，且Y-SeO体系产氢量更高。通过调控H⁺浓度发现，ΔPSV响应随H⁺浓度升高而增强，与产氢量呈正相关，证明突触响应受质子还原反应动力学控制。引入抗坏血酸作为空穴清除剂时，ΔPSV显著降低；提高电解质电导率则加速电荷消耗，减弱突触响应；升高温度加速界面反应，增强突触响应。这些结果证实，SOPECS的突触活动源于内部光电过程与外部电解质介导化学反应的动态相互作用，可通过调节离子种类和浓度系统调控突触行为。
要点四：视觉损伤模拟与自我恢复功能
团队深入探索了SOPECS在模拟生物视觉系统病理过程中的应用。在体液中加入H2O2模拟氧化应激时，器件突触响应显著下降，成功复现了视觉细胞在衰老和年龄相关性黄斑变性等疾病中的功能退化。引入光敏剂MTP并用红光照射产生活性氧时，器件电压信号增长速率可逆性降低；红光关闭后信号自动恢复，动态模拟了从损伤到自我恢复的完整病理过程。
在活细胞培养环境中，器件与小鼠成纤维细胞L929共培养时展现出优异生物相容性，并能准确检测细胞存在液体环境中的活性氧。当BHJ受近红外光照射时，器件表现出高PSV和长突触持续时间（2500 s）；同时用红光照射含MTP的培养基产生活性氧时，PSV和突触持续时间（1400 s）均显著降低，首次实现在真实细胞环境中检测氧化损伤。此外，团队搭建了5×5器件阵列，用不同强度光“写入”“H”字母图像。模拟氧化损伤时，图像对比度显著降低，代表视觉记忆丢失；损伤因素移除后，图像逐渐恢复清晰，首次在人工突触器件中实现了视觉记忆的自我修复功能。
总结：作者利用Y-SeO和Y-SO分子体系，成功开发了生物拟真自供电有机光电化学突触。通过系统的分子工程，建立了非共价构象锁调控电荷传输与突触性能之间的构效关系。器件不仅实现了高达305%的PPF值和宽光谱响应，更重要的是系统揭示了电解质介导的化学-电突触机制，并在活细胞环境中成功模拟了视觉衰老损伤，首次展示了视觉记忆的自我恢复能力。这项工作不仅开创了自供电有机光电化学突触器件的新范式，而且为构建能与生物系统化学沟通的神经形态视觉平台铺平了道路。
【原文链接】
https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102700