Montage und Charakterisierung der biomolekularen Memristors bestehend aus Ionenkanal-dotierte Lipidmembranen
Summary
Weich, nutzen Niederleistungs-biomolekularen Memristoren ähnlicher Zusammensetzung, Struktur und Mechanismen der Bio-Synapsen umschalten. Hier vorgestellten wird ein Protokoll zu montieren und zu charakterisieren, biomolekulare Memristoren aus isolierenden Lipid Bilayer gebildet zwischen Wassertröpfchen in Öl gewonnen. Die Einbeziehung der Spannung aktiviert Alamethicin Peptide Ergebnisse in Memristive ionische Leitfähigkeit durch die Membran.
Abstract
Die Fähigkeit zur synaptische Funktionalitäten in synthetischen Schaltkreiselemente neu unbedingt neuromorphen EDV-Systeme, die darauf abzielen, die kognitiven Kompetenzen des Gehirns mit vergleichbarer Effizienz und Dichte zu emulieren. Bisher haben Silizium-basierte 3-Terminal Transistoren und zwei-Terminal Memristors in neuromorphen Schaltungen, größtenteils aufgrund ihrer Fähigkeit zur Informationsverarbeitung und Speicher Zusammenlegung verbreitet. Doch diese Geräte die Vernetzung und die Komplexität des Gehirns erreichen können, weil sie sind machthungrigen, nicht wichtige synaptische Funktionalitäten zu imitieren, und leiden unter hohen Geräuschpegel und hohe Spannungen zu schalten. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben wir entwickelt und charakterisiert eine biomolekularen Memristor, die Zusammensetzung, Struktur und Schaltverhalten der biologische Synapsen imitiert. Hier beschreiben wir den Prozess der Montage und Charakterisierung biomolekularen Memristoren bestehend aus einem 5 nm dicken Lipid Bilayer zwischen Lipid funktionalisiert Wassertröpfchen in Öl gebildet und mit Spannung aktiviert Alamethicin Peptide dotiert. Während ähnliche Versammlung Protokolle verwendet wurden, um die biophysikalische Eigenschaften von Tröpfchen unterstützt Lipidmembranen und Membrane-springen Ionenkanäle untersuchen, dieser Artikel konzentriert sich auf wesentliche Änderungen der Tröpfchen Bilayer Schnittstellenmethode für konsequente Memristor Performance zu erreichen. Speziell, beschreiben wir die Liposomen-Herstellungsverfahren und die Übernahme der Alamethicin Peptide in Lipid Bilayer Membranen und die entsprechenden Konzentrationen von jeden Bestandteil, sowie deren Auswirkungen auf die Gesamtreaktion der Memristoren. Wir beschreiben auch die Charakterisierung Prozess der biomolekularen Memristors, einschließlich Messung und Analyse von Memristive Strom-Spannungs-Beziehungen über zyklische Voltammetrie sowie kurzfristige Plastizität erhalten und lernen schrittweise als Reaktion auf Spannung Impulsfolgen.
Introduction
Es ist allgemein anerkannt, daß biologische Synapsen verantwortlich für die hohe Effizienz und enorme Parallelität des Gehirns aufgrund ihrer Fähigkeit sind zu lernen und verarbeiten Informationen auf höchst anpassungsfähige Arten. Diese koordinierte Funktionalität ergibt sich aus mehreren, sehr komplexen molekularen Mechanismen diesem Laufwerk sowohl kurzfristige als auch langfristige synaptische Plastizität1,2,3,4,5. Neuromorphen-computing-Systeme wollen emulieren synaptische Funktionen auf Ebenen nähert sich die Dichte, Komplexität und Energieeffizienz des Gehirns, die notwendig sind, für die nächste Generation von Gehirn-wie Computer6,7 , 8. synaptische Funktionen mit Hilfe von traditionellen elektronischen Schaltelemente zu reproduzieren ist jedoch praktisch unmöglich9, stattdessen erfordert die Konstruktion und Herstellung der neuen Hardware-Elemente, die auf eingehende Signale anpassen können und erinnern Informationen Geschichten9. Diese Arten von Synapse-inspirierten Hardware sind als Mem-Elements9,10,11 (kurz für Speicherelemente), bekannt, die nach Di Ventra Et Al.9,11, passive, zwei-Terminal-Geräte, deren Widerstand, Kapazität oder Induktivität als Reaktion auf äußere Reize neu konfiguriert werden kann, und die vorherige Staaten11erinnern können. Um Energieverbräuche nähert sich in das Gehirn zu erreichen, sollten diese Elemente ähnliche Materialien und Mechanismen für die synaptische Plastizität12beschäftigen.
Bisher worden zwei-Terminal Memristoren13,14,15 überwiegend gebaut mit komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie, zeichnen sich durch hohe schaltende Spannungen und hohen Geräuschpegel. Diese Technologie skaliert nicht gut wegen hoher Stromverbrauch und geringe Dichte. Um diese Einschränkungen zu beheben, wurden mehrere organische und Polymere Memristoren vor kurzem gebaut. Diese Geräte weisen jedoch deutlich langsamer Schaltdynamik durch zeitaufwendige Ion Diffusion durch ein leitfähiges Polymer-Matrix16,17. Infolgedessen sind die Mechanismen, mit denen beide CMOS-basierte und organischen Memristive Geräte Synapse-inspirierte Funktionen emulieren, hoch phänomenologische, umfasst nur wenige synaptische Funktionen wie Spike Timing abhängigen Plastizität (STDP) 18, während mit Blick auf andere wichtige Funktionen auch spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung des Gehirns eines leistungsfähigen und effizienten Computers, z. B. präsynaptischen, kurzfristige Plastizität19.
Vor kurzem führten wir eine neue Klasse von Memristive Geräten12 mit Spannung aktiviert Peptide biomimetische Lipidmembranen gegründet, die imitiert, biomolekulare Zusammensetzung, Membran-Struktur und Ion Kanalumschaltung ausgelöst Mechanismen der biologischen Synapsen20. Wir beschreiben hier, wie zu montieren und diese zwei-Terminal-Geräte, elektrisch zu verhören mit besonderem Schwerpunkt auf kurzfristige Plastizität für die Umsetzung in Online-Bewertung lernen Anwendungen12. Gerätemontage basiert auf die Tröpfchen Interface Bilayer (DIB)21 -Methode, die in den letzten Jahren weitgehend verwendet worden ist, um die Biophysik des Modells Membranen21 und Membrane-springen Ionen-Kanäle22,23zu studieren, 24, und als Bausteine für die Entwicklung der Reize reagierende Materialien25,26. Wir beschreiben Membranverfahren Montage- und Verhör im Detail für Interessenten in neuromorphen Anwendungen aber wenig Berufserfahrung in Biomaterialien oder Membran Biologie. Das Protokoll enthält auch eine vollständige Beschreibung des Verfahrens Charakterisierung, die ebenso wichtig wie der Montage, die dynamische und rekonfigurierbaren elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung27gegeben ist. Die hier beschriebenen Verfahren und Vertreter Ergebnisse sind Grundlagen für eine neue Klasse von Low Cost, Low-Power, weiche Mem-Elemente basierend auf Lipid-Schnittstellen und andere Biomoleküle für Anwendungen im neuromorphen computing, autonome Strukturen und Systeme, auch adaptive Gehirn-Computer-Schnittstellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieser Beitrag stellt ein Protokoll für die Montage und Charakterisierung von biomolekularen Memristoren basierend auf Ionen-Kanal-dotierte synthetische Biomembranen zwischen zwei Wassertröpfchen in Öl gebildet. Das weiche Materie, zwei-Terminal Gerät konzipiert und studierte bis: 1) besiegten Einschränkungen, die mit Solid-State-Technologie verbunden sind, wie z. B. hohe Rauschen, hohen Energieverbrauch und hohe Spannungen, Wechsel (2) genauer Zusammensetzung, imitieren strukturieren Wechsel Mechanismen der biologi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finanziell unterstützt wurde von der National Science Foundation Grant NSF ECCS-1631472. Forschung für G.J.T., C.D.S, A.B und C.P.C wurde teilweise vom Labor gerichtet Research and Development Program des Oak Ridge National Laboratory, verwaltet von UT-Battelle, LLC, für das US-Department of Energy gesponsert. Ein Teil dieser Forschung wurde in der Mitte für Anwendungspotential Materialwissenschaften durchgeführt, die eine Damhirschkuh Büro der Wissenschaft Benutzer Anlage ist.
Materials
| 1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) | Avanti Polar Lipids | 850356P/850356C | Purchased as lyophilized powder (P) or in chloroform (C) |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | |
| Agarose (0.5g Agarose Tablets) | Benchmark | A2501 | You can either use the powder form or the tablets |
| Alamethicin | AG Scientific | A-1286 | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | ME204TE/00 | |
| Axopatch 200B Amplifier | Molecular Devices | – | |
| BK Precision 4017B 10 MHz DDs Sweep/Function Generator | Digi-Key | BK4017B-ND | |
| Borosilicate Glass Capillaries | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
| Brain Total Lipid Extracts (Porcine) | Avanti Polar Lipids | 131101 | |
| DigiData 1440A system | Molecular Devices | – | |
| Extruder Set With Holder/Heating Block | Avanti Polar Lipids | 610000 | This includes a mini-extruder, 2 syringes, 100 PC membranes, 100 filter supports, and 1 holder/heating block |
| Freezer (-20 °C) | VWR International | SCUCBI0420AD | |
| Glassware | VWR International | – | |
| Hexadecane, 99% | Sigma-Aldrich | 544-76-3 | |
| Isopropyl Alcohol | VWR International | BDH1133-4LP | |
| Microelectrode Holder | World Precision Instruments | MEH1S | |
| MOPS | Sigma-Aldrich | M1254 | |
| Nitrogen (N2) Gas | Airgas | UN1066 | |
| Parafilm M All-Purpose Laboratory Film | Parafilm | PM999 | |
| Powder Free Soft Nitrile Examination Gloves | VWR International | CA89-38-272 | |
| Precleaned Microscope Sildes | Fisher Scientific | 22-267-013 | |
| Refrigirator (4 °C) | VWR International | SCUCFS-0504G | |
| Silver wire | GoodFellow | 147-346-94 | Different diameters could be used depending on the application |
| Sodium Chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| Stirring Hot Plate | Thermo Scientific | SP131325 | |
| VWR Light-Duty Tissue Wipers | VWR International | 82003-820 | |
| VWR Scientific 50D Ultrasonic Cleaner | VWR International | 13089 |
References
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