Een van de grootste uitdagingen in cognitieve of revalidatie-neurowetenschappen is het vermogen om een ​​functioneel hybride systeem te ontwerpen dat verbinding kan maken en informatie kan uitwisselen tussen biologische systemen, zoals neuronen in de hersenen, en door mensen gemaakte elektronische apparaten. Een grote multidisciplinaire inspanning van onderzoekers in Italië bracht natuurkundigen samen, chemici, biochemici, ingenieurs, moleculair biologen en fysiologen om de biocompatibiliteit te analyseren van het substraat dat wordt gebruikt om deze biologische en door de mens gemaakte componenten te verbinden, en de functionaliteit van de aanhangende cellen onderzoeken, het creëren van een levend biohybride systeem.

In een artikel dat deze week verschijnt in AIP-vooruitgang , het onderzoeksteam gebruikte de interactie tussen licht en materie om de materiaaleigenschappen op moleculair niveau te onderzoeken met behulp van Raman-spectroscopie, een techniek die, tot nu, is voornamelijk toegepast op de materiaalwetenschap. Dankzij de koppeling van de Raman-spectrometer met een microscoop, spectroscopie wordt een handig hulpmiddel voor het onderzoeken van micro-objecten zoals cellen en weefsels. Raman-spectroscopie biedt duidelijke voordelen voor dit type onderzoek:de moleculaire samenstelling en de modificatie van subcellulaire compartimenten kunnen worden verkregen in labelvrije omstandigheden met niet-invasieve methoden en onder fysiologische omstandigheden, waardoor het onderzoek van een grote verscheidenheid aan biologische processen zowel in vitro als in vivo mogelijk is.

Nadat de biocompatibiliteit van het substraat was geanalyseerd en de functionaliteit van de hechtende cellen was onderzocht, het volgende deel van deze puzzel is verbinding maken met de elektronische component. In dit geval werd een memristor gebruikt.

"De naam onthult zijn eigenaardigheid (MEMory ResISTOR), het heeft een soort "geheugen":afhankelijk van de hoeveelheid spanning die er in het verleden op is gezet, het kan zijn weerstand variëren, vanwege een verandering van zijn microscopische fysische eigenschappen, " zei Silvia Caponi, een natuurkundige bij de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad in Rome. Door memristors te combineren, het is mogelijk om paden binnen de elektrische circuits te creëren die vergelijkbaar zijn met de natuurlijke synapsen, die een variabel gewicht ontwikkelen in hun verbindingen om het adaptieve/leermechanisme te reproduceren. Lagen van organische polymeren, zoals polyaniline (PANI) een halfgeleiderpolymeer, hebben ook memristieve eigenschappen, waardoor ze direct met biologische materialen kunnen werken tot een hybride bio-elektronisch systeem.

"We hebben de analyse toegepast op een hybride bio-geïnspireerd apparaat, maar in een prospectief perspectief, dit werk levert het proof-of-concept van een geïntegreerde studie die in staat is om de status van levende cellen te analyseren in een grote verscheidenheid aan toepassingen die nanowetenschappen samensmelten, neurowetenschappen en bio-elektronica, " zei Caponi. Een natuurlijk langetermijndoel van dit werk zou zijn om machines en zenuwstelsels zo naadloos mogelijk met elkaar te verbinden.

Het multidisciplinaire team staat klaar om voort te bouwen op deze proof of principle om het potentieel van memristornetwerken te realiseren.

"Eenmaal verzekerd van de biocompatibiliteit van de materialen waarop neuronen groeien, " zei Caponi, "we willen de materialen en hun functionaliseringsprocedures definiëren om de beste configuratie voor de neuron-memristor-interface te vinden om een ​​volledig werkend hybride bio-memristorsysteem te leveren."