人工智能与生物环境的融合需要开发先进的水相突触，这类突触不仅需要在适宜的水环境中具备良好的生物相容性，还需具备多模态功能的高阶行为。传统人工突触多基于固态器件，依赖高电压电子学工作，与人体内以神经递质和离子为基础的化学突触存在本质差异。随着类脑工程向水相、生物感知方向发展，如何构建能够真正兼容生理环境、具备多模态信息处理能力的高阶突触器件，成为领域内亟待突破的难题。

近日，2022级化学专业方向本科生肖奡在导师赵伟伟教授的指导下，从生物体系中的“三方突触”获得灵感——在人脑中，突触前神经元、突触后神经元与星形胶质细胞三者协同作用，实现复杂的异突触可塑性。基于此，团队设计出一种基于石墨烯光电化学晶体管（GPECT）的水相高阶三方突触，其突触前端、调制端与后端分别由CdS/FTO电极和石墨烯沟道构成，并引入真实神经递质多巴胺作为关键调控分子。

研究发现，光照会诱导石墨烯的n型掺杂，而多巴胺则相反，诱导石墨烯的p型掺杂，两者呈现鲜明的“拮抗效应”。基于这种双极性特性与拮抗调控，通过操纵独特的光-生物-物质相互作用，该器件可以在栅压、光生栅压和多巴胺诱导栅压这三个实现状态变量的共同主导下实现复杂的高阶行为和低阶行为切换。基于该特性，该器件成功模拟了高级生物功能，包括敏化、习惯化和恢复行为。

图 基于GPECT的水相高阶三方突触

此外，该三方突触的异突触可塑性也可以通过操纵高阶与低阶行为来实现精细的调控：当器件展现出高阶行为时，异突触可塑性从兴奋性响应逐渐转变为抑制性响应；相反，当器件展现出低阶行为时，异突触可塑性始终表现为兴奋性。通过电、光和多巴胺的复杂协同作用，该器件可以展现出复杂多样的异突触可塑性。

值得关注的是，该三方突触还展现了丰富的历史依赖可塑性。通过改变历史脉冲与后续脉冲的频率组合，器件能够实现全部的四种不同的高阶/低阶行为切换，且这种切换同样受多巴胺精细调控。研究团队进一步利用这一特性，构建了一套水相离子电子逻辑门系统，成功驱动机械臂完成收缩与放松动作，实现了NOT、NAND、TRUE、FALSE等逻辑功能。该器件还被用作机械臂的智能仿生处理器，以提高信息编码效率，防止响应饱和。面对重复持续的刺激时，低阶系统的响应单调增加；而当高阶系统面对重复持续的刺激时，响应先逐渐增强再逐渐减弱。这表明高阶系统能够识别重复刺激并降低响应，从而避免响应饱和。

该工作以“Realizing Aqueous High-Order Tripartite Synapse”为题于2026年4月16日发表于《Advanced Materials》（文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.73105），2022级本科生肖奡为论文第一作者，化学公司赵伟伟教授为论文通讯作者。（供稿：bw必威西汉姆联官网）