アセンブリおよびイオン チャネルをドープした脂質膜から成る分子 Memristors のキャラクタリゼーション
Summary
ソフト、低消費電力、生体分子 memristors は活用と同様の組成、構造、およびスイッチング バイオ シナプス機構です。ここで紹介を組み立てるし、生体分子 memristors を特徴付けるプロトコルは絶縁油中水滴間に形成される脂質二重層から取得します。メムリスティブ イオン伝導膜の電圧作動したアラメチシン ペプチド結果定款。
Abstract
コンピューティング システムを同等の効率と密度と脳の認知力をエミュレートしようとする神経は合成回路においてシナプスの機能を再現する能力が欠かせません。日には、3 端子シリコン トランジスタ、2 端子 memristors 使用されている広く能力共同情報処理およびメモリを検索するための大部分の神経回路で。これらのデバイスは相互接続性、脳の複雑性を達成することはできませんので、まだパワーハングリー、失敗、シナプスの重要な機能を模倣し、高ノイズと高電圧をスイッチングに苦しみます。これらの制限を克服するために開発し、組成、構造、および生物学的シナプスのスイッチング特性を模倣した生体分子 memristor を特徴付けられます。ここで組立のプロセスについて述べる、脂質修飾の水滴はオイルの間に形成され、電圧作動したアラメチシン ペプチドをドープした 5 nm 厚の脂質二重層からなる生体分子 memristors を特徴付けます。液滴インターフェイス層メソッドのために不可欠の主要な修正に焦点を当ててこの記事と同様のアセンブリ プロトコルは、液滴脂質膜と膜結合型イオン チャネルの生物物理学的性質を調べるに使用されてきたが、memristor の一貫性のあるパフォーマンスを達成します。具体的には、我々 は、memristors の全体的な応答のリポソームの調製とアラメチシン ペプチド脂質二分子膜の定款およびその影響と同様に、各成分の適切な濃度をについて説明します。我々 も短期可塑性と同様、サイクリックボルタンメトリー、を介して取得し、ステップごとに応答学習メムリスティブ電流-電圧特性の測定と解析を含む生体分子 memristors の評価プロセスを詳細します。電圧パルス。
Introduction
それは広く生物学的シナプス高効率と能力を学ぶし、非常に適応の方法で情報を処理するための脳の巨大な並列処理の責任があることが認識されます。この調整機能を両方短期的および長期的なシナプス可塑性1,2,の3,4,5そのドライブ、複数の非常に複雑な分子メカニズムから出ています。ニューロ コンピュータ システム レベル脳型コンピューター6、7の次の世代に必要な密度、複雑さ、および脳のエネルギー効率に近づいているシナプスの機能をエミュレートすることを目指してください。,8しますただし、事実上9、代わりに設計と受信信号に適応でき、記憶の新しいハードウェア要素の作製を必要とするは、伝統的な電子回路素子を用いたシナプスの機能を再現。情報履歴9。これらの種類のシナプスに触発されたハードウェアとして知られている mem 要素9,10,11 (略してメモリ要素) で119,・ ディ ・ Ventra らによると、受動的、2 端子デバイスが抵抗、キャパシタンス、インダクタンスは外部からの刺激への応答で再構成でき、前の状態11を覚えています。頭脳のそれらに近づいているエネルギー消費レベルを達成するためにこれらの要素は、類似の材料とシナプス可塑性12メカニズムを採用すべき。
日には、2 端子 memristors13,14,15主に高スイッチング電圧および高ノイズによって特徴付けられる補完の金属酸化膜半導体 (CMOS) 技術を使用して構築されています。この技術は、高い消費電力と低密度のためにまたスケーリングしません。これらの制限に対処するため、複数の有機・高分子 memristors を最近構築されています。ただし、これらのデバイスは、導電性高分子マトリックス16,17まで時間のかかるイオン拡散によるスイッチング速度が遅くダイナミクスを展示します。その結果、両方の CMOS ベースおよび有機メムリスティブ デバイスがシナプスをほうふつさせる機能をエミュレート メカニズムが高い現象、のみいくつかシナプス機能などスパイク タイミング依存可塑性 (STDP)を網羅18、他のキーを見渡せる機能が脳のシナプス前、短期可塑性19など、強力で効率的なコンピューターを作ることに重要な役割を果たします。
最近では、紹介したメムリスティブ デバイス12生体脂質膜に組み込まれている電圧作動したペプチドを備えた生体分子組成、膜構造、およびイオン チャネル トリガー スイッチを模した新しいクラス生物学的シナプス20のメカニズム。 ここでは、組み立て、電気これら 2 つの端末を調査する方法について述べる学習アプリケーション12オンラインの実装の短期可塑性を評価する方法の特定の焦点を。デバイス アセンブリが使用されている広く近年モデル膜21と膜結合型イオン チャネル22,23の生物物理学の研究に、液滴インターフェイス層 (DIB)21メソッドに基づいてください。 24, 刺激応答性材料25,26の開発のためのビルディング ブロックとして。私たちはニューロ アプリケーションに興味のある方膜アセンブリと尋問プロセスの詳細を説明するが、生体材料または膜生物学の経験が限られています。プロトコルにはも27デバイスの動的な再構成可能な電気的特性を与えられたアセンブリ プロセスと同様に重要である評価手順の完全な説明が含まれます。ここで説明した手順と代表の結果は、低コスト、低消費電力、脂質インターフェイスおよびニューラルネットワークコンピューティング、自律構造、システム、アプリケーションの他の生体に基づいたソフト mem 要素の新しいクラスの基礎さらに適応脳-コンピューターのインターフェイス。
Protocol
Representative Results
Discussion
組立のイオン チャネルをドープした合成膜中の水の二液滴の間に形成に基づく生体分子 memristors を特徴付けるためのプロトコルを提案する.ソフトマター、2 ターミナル デバイスを設計および検討: 構造の組成、2) もっと密接に模倣高ノイズ、高エネルギー消費、高電圧の切り替えのように固体状態の技術に関連付けられている 1) 克服の制約、スイッチング機構の生物学的シナプスと 3) メカ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
財政支援により、国立科学財団助成 NSF ECCS-1631472 を行いました。G.J.T. 債 cds 市場、a. b. のための研究と C.P.C. が監督研究と開発プログラムのオークリッジ国立研究所、ユタ州-バテル、LLC は、によって管理されて米国エネルギー省によって後援された部分的に。本研究の一部は、ナノ相物質科学は、科学ユーザー施設 DOE のオフィスは、センターで実施されました。
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 |
Referências
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