Derleme ve biyomoleküler iyon kanal katkılı Lipid membranlar oluşan Memristors karakterizasyonu
Summary
Yumuşak, düşük güçte, benzer kompozisyon, yapısı ve biyo-sinapslarda mekanizmaları geçiş biyomoleküler memristors kaldıraç. Burada sunulan bir araya getiren ve biyomoleküler memristors karakterize için bir protokol lipid bilayers Su damlacıkları yağı arasında oluşan yalıtım elde edilir. Gerilim-harekete geçirmek alamethicin peptidler sonuçlarında memristive iyonik gürültülerinden membran arasında birleşme.
Abstract
Neuromorphic karşılaştırılabilir verimliliği ve yoğunluğu ile bilişsel güçler beynin taklit etmeye sistemleri bilgi işlem için gerekli olan sentetik devre elemanları sinaptik işlevleri yeniden oluşturmak için yeteneğidir. Bugüne kadar silikon bazlı üç-terminal transistörler ve iki-terminal memristors yaygın neuromorphic devrelerde, bilgi işleme ve bellek ortak bulmak için yeteneklerini nedeniyle büyük ölçüde kullanılmaktadır. Onlar çünkü bu cihazlar beyin karmaşıklığını ve Birleştiricisi elde edemez henüz güce susamış, başarısız anahtar sinaptik functionalities taklit ve yüksek gürültü ve yüksek gerilim anahtarlama muzdarip. Bu sınırlamalar üstesinden gelmek için biz geliştirdik ve bileşimi, yapısı ve biyolojik sinapslarda anahtarlama özelliklerini taklit eden bir biyomoleküler memristor ile karakterizedir. Burada, biz montaj işlemi tanımlamak ve biyomoleküler memristors 5 nm-kalın lipid bilayer oluşan karakterize lipid functionalized Su damlacıkları yağı arasında oluşturulmuş ve gerilim-harekete geçirmek alamethicin peptidler ile katkılı. Benzer derleme protokolleri biyofiziksel özellikleri membran bağlı iyon kanalları ve damlacık destekli lipid membranlar araştırmak için kullanılan iken, bu makale damlacık arabirim bilayer yöntemi için gerekli olan önemli değişiklikler üzerinde duruluyor tutarlı memristor performansını elde etmek. Özellikle, biz lipozom hazırlık süreci ve alamethicin peptidler lipid bilayer membranlarda birleşme ve etkilerini yanı sıra her kurucu uygun konsantrasyonlarda memristors genel yanıt açıklar. Biz de biyomoleküler memristors ölçüm ve analiz çevrimsel voltammetry, hem de kısa vadeli plastisite yolu ile elde edilen ve step-wise yanıt olarak öğrenme memristive akım-gerilim ilişkileri de dahil olmak üzere, karakterizasyonu sürecinin detay gerilim darbe trenler.
Introduction
Yaygın biyolojik sinapslarda yüksek verimlilik ve yeteneklerini öğrenmek ve son derece uyumlu şekilde bilgi işlem nedeniyle beynin muazzam parallelism en büyük ölçüde sorumlu kabul edilmektedir. Koordine bu işlevi birden çok, son derece karmaşık moleküler mekanizmaları her iki kısa ve uzun vadeli sinaptik plastisite1,2,3,4,5o sürücü ortaya çıkıyor. Neuromorphic bilgisayar sistemleri sinaptik işlevleri, yoğunluk, karmaşıklık ve enerji verimliliği beyin, beyin gibi bilgisayar6,7 yeni nesil için gereksinim duyulan yaklaşan düzeyde taklit hedefliyoruz , 8. geleneksel elektronik devre elemanları kullanarak sinaptik özellikleri üreyen neredeyse imkansız9yerine tasarım ve imalat gelen sinyallere adapte ve hatırlıyorum yeni donanım öğeleri gerektiren, be bilgi geçmişleri9. Bu tür donanım synapse esinlenen mem-elementlerin9,10,11 (kısaltması bellek öğeleri), hangi Di Ventra ve ark.9,11göre pasif bilinen, dış uyaranlara yanıt olarak yapılandırılması, direnç, kapasite veya indüktans ve hangi önceki Birleşik11hatırlıyorum iki terminal cihazları. Bu beyinde yaklaşan enerji tüketim seviyeleri elde etmek için bu öğeleri benzer malzeme ve mekanizmalar, sinaptik plastisite12için istihdam.
Bugüne kadar iki-terminal memristors13,14,15 ağırlıklı olarak inşa edilmiş yüksek anahtarlama gerilim ve yüksek gürültü ile karakterize tamamlayıcı metal oksit yarı iletkeni (CMOS) teknolojisini kullanarak. Bu teknoloji de yüksek güç tüketimi ve düşük yoğunluk nedeniyle ölçek değil. Bu sınırlamaları gidermek için birden çok organik ve polimerik memristors son zamanlarda inşa edilmiştir. Ancak, bu aygıtların zaman alıcı iyon Difüzyon yoluyla bir iletken polimer matris16,17nedeniyle önemli ölçüde yavaş anahtarlama dynamics sergi. Sonuç olarak, hangi tarafından her iki CMOS tabanlı ve organik memristive cihaz synapse esinlenen işlevleri taklit mekanizmaları sadece birkaç sinaptik işlevleri gibi Spike zamanlama bağımlı plastisite (STDP) kapsayan son derece fenomenolojik 18, diğer önemli bakan bulunuyor olsa da önceden sinaptik, kısa vadeli plastisite19gibi bir güçlü ve verimli bilgisayar beyin yapımında önemli rol oynarlar.
Son zamanlarda, biz yeni bir sınıf biyomoleküler kompozisyon, membran yapısı ve iyon tetiklenen kanal geçiş taklit eden gerilim-harekete geçirmek peptidler biomimetic lipid dahil featuring memristive cihazlar12 tanıttı mekanizmaları biyolojik sinapslarda20. Burada, nasıl bir araya getiren ve bu iki terminal aygıtların elektriksel olarak sorguya açıklar nasıl online içinde uygulama için kısa vadeli plastisite değerlendirmek için belirli odaklı uygulamaları12öğrenme. Cihaz Montaj kapsamlı son yıllarda modeli membranlar21 ve membran bağlı iyon kanalları22,23biyofizik eğitim için kullanılan bu damlacık arabirimi bilayer (DIB)21 yöntem üzerinde dayanır, 24ve uyaranlara duyarlı malzeme25,26gelişimi için yapı taşları olarak. Biz neuromorphic uygulamalarında ilgilenenler için membran montaj ve sorgulama süreci ayrıntılı tarif ama sınırlı deneyiminiz Biyomalzeme veya membran Biyoloji. Protokol Ayrıca aygıt27dinamik ve reconfigurable elektriksel özellikleri verilen derleme işlemi olarak önemlidir karakterizasyonu yordamı tam bir açıklaması vardır. Burada açıklanan yordamı ve temsilcisi sonuçları düşük maliyetli, düşük güç, yumuşak mem-elementlerin lipid arabirimleri ve diğer biomolecules neuromorphic bilgi işlem, özerk yapıları ve sistemleri uygulamaları için temel alan yeni bir sınıf için temeller vardır, ve hatta adaptif beyin-bilgisayar arayüzleri.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu kağıt için montaj ve biyomoleküler memristors iki yağda Su damlacıkları arasında oluşturulmuş iyon kanal katkılı sentetik biomembranes göre karakterize bir protokol sunar. Yumuşak-madde, iki-terminal aygıt tasarlanmış ve için eğitimi: yüksek gürültü, yüksek enerji tüketimi ve yüksek gerilim, geçiş 2) daha yakından kompozisyon, taklit gibi katı hal teknolojisi ile ilişkili 1) üstesinden kısıtlamaları yapısı mekanizmaları biyolojik sinapslarda ve 3 anahtarlama) mekanizmaları ve kat…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ulusal Bilim Vakfı Hibe NSF ECCS-1631472 tarafından mali destek sağlanan. G.J.T., C.D.S., A.B. için araştırma ve C.P.C. kısmen laboratuvar yönelik araştırma ve geliştirme programı, Oak Ridge National UT-Battelle, LLC, ABD Enerji Bakanlığı için yönetilen Laboratory, tarafından desteklenmektedir. Bu araştırma bir kısmını Nanophase malzeme bilimleri için bir DOE ofis, bilim kullanıcı tesis olan merkezinde yapılmıştır.
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
- Thompson, R. F. The neurobiology of learning and memory. Science. 233 (4767), 941-947 (1986).
- Squire, L. R. Memory systems of the brain: a brief history and current perspective. Neurobiology of learning and memory. 82 (3), 171-177 (2004).
- Benfenati, F. Synaptic plasticity and the neurobiology of learning and memory. Acta Bio Medica Atenei Parmensis. 78 (1Suppl), 58-66 (2007).
- Marx, G., Gilon, C. The molecular basis of memory. ACS Chemical Neuroscience. 9 (8), 633-642 (2012).
- Izquierdo, I., Medina, J. H. Memory formation: the sequence of biochemical events in the hippocampus and its connection to activity in other brain structures. Neurobiology of learning and memory. 68 (3), 285-316 (1997).
- Merolla, P. A. A million spiking-neuron integrated circuit with a scalable communication network and interface. Science. 345 (6197), 668-673 (2014).
- Benjamin, B. V. Neurogrid: A mixed-analog-digital multichip system for large-scale neural simulations. Proceedings of the IEEE. 102 (5), 699-716 (2014).
- Furber, S. Large-scale neuromorphic computing systems. Journal of neural engineering. 13 (5), 051001 (2016).
- Di Ventra, M., Pershin, Y. V. The parallel approach. Nature Physics. 9 (4), 200-202 (2013).
- Chua, L. Memristor-the missing circuit element. IEEE Transactions on circuit theory. 18 (5), 507-519 (1971).
- Di Ventra, M., Pershin, Y. V., Chua, L. O. Circuit elements with memory: memristors, memcapacitors, and meminductors. Proceedings of the IEEE. 97 (10), 1717-1724 (2009).
- Najem, J. S. Memristive Ion Channel-Doped Biomembranes as Synaptic Mimics. ACS Nano. , (2018).
- Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. The missing memristor found. Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).
- Prezioso, M. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors. Nature. 521 (75550), 61-64 (2015).
- Prodromakis, T., Toumazou, C., Chua, L. Two centuries of memristors. Nature Materials. 11 (6), 478 (2012).
- Berzina, T. Optimization of an organic memristor as an adaptive memory element. Journal of Applied Physics. 105 (12), 124515 (2009).
- van de Burgt, Y., Melianas, A., Keene, S. T., Malliaras, G., Salleo, A. Organic electronics for neuromorphic computing. Nature Electronics. 1, (2018).
- Dan, Y., Poo, M. M. Spike timing-dependent plasticity: from synapse to perception. Physiological reviews. 86 (3), 1033-1048 (2006).
- Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Reviews of Physiology. 64 (1), 355-405 (2002).
- Shepherd, J. D., Huganir, R. L. The cell biology of synaptic plasticity: AMPA receptor trafficking. Annual Review of Cell Developmental Biology. 23, 613-643 (2007).
- Taylor, G. J., Venkatesan, G. A., Collier, C. P., Sarles, S. A. Direct in situ measurement of specific capacitance, monolayer tension, and bilayer tension in a droplet interface bilayer. Soft Matter. 11 (38), 7592-7605 (2015).
- Najem, J. S. Activation of bacterial channel MscL in mechanically stimulated droplet interface bilayers. Scientific Reports. 5, 13726 (2015).
- Taylor, G. J. Capacitive Detection of Low-Enthalpy, Higher-Order Phase Transitions in Synthetic and Natural Composition Lipid Membranes. Langmuir. 33 (38), 10016-10026 (2017).
- Taylor, G. Electrophysiological interrogation of asymmetric droplet interface bilayers reveals surface-bound alamethicin induces lipid flip-flop. Biochimica et biophysica acta (BBA)-Biomembranes. , (2018).
- Sarles, S. A., Garrison, K. L., Young, T. T., Leo, D. J. Formation and Encapsulation of Biomolecular Arrays for Developing Arrays of Membrane-Based Artificial Hair Cell Sensors. Proceedings of the Asme Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (Smasis 2011), Vol 2. , 663-671 (2011).
- Sarles, S. A., Leo, D. J. Membrane-based biomolecular smart materials. Smart Materials & Structures. 20 (9), (2011).
- Sarles, S. A. . Physical encapsulation of interface bilayers. , (2010).
- JoVE Science Education Datatbase. Organic Chemistry II. Cleaning Glassware. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
- Taylor, G. J., Sarles, S. A. Heating-enabled formation of droplet interface bilayers using Escherichia coli total lipid extract. Langmuir. 31 (1), 325-337 (2014).
- Shlyonsky, V., Dupuis, F., Gall, D. The OpenPicoAmp: an open-source planar lipid bilayer amplifier for hands-on learning of neuroscience. Plos One. 9 (9), e108097 (2014).
- Najem, J. S. Micropipette-based Method for Incorporation And Stimulation of Bacterial Mechanosensitive Ion Channels in Droplet Interface Bilayers. Journal of Visualized Experiments. (105), (2015).
- Bayley, H. Droplet interface bilayers. Molecular Biosystems. 4 (12), 1191-1208 (2008).
- Nguyen, M., Srijanto, B., Retterer, S., Collier, C. P., Sarles, S. A. Hydrodynamic trapping for rapid assembly and in situ electrical characterization of droplet interface bilayer arrays. Lab on a Chip. 16, 3576-3588 (2016).
- Weiss, R., Najem, J. S., Hasan, M. S., Schuman, C. D., Belianinov, A., Collier, C. P., Sarles, S. A., Rose, G. S. A Soft-Matter Biomolecular Memristor Synapse for Neuromorphic Systems. , (2018).
