Een nieuw elektronisch apparaat dat aan de Universiteit van Michigan is ontwikkeld, kan het gedrag van een synaps direct modelleren, dat is een verbinding tussen twee neuronen.

Voor de eerste keer, de manier waarop neuronen delen of strijden om hulpbronnen, kan in hardware worden verkend zonder dat er ingewikkelde circuits nodig zijn.

"Neurowetenschappers hebben betoogd dat concurrentie- en samenwerkingsgedrag tussen synapsen erg belangrijk is. Onze nieuwe memristieve apparaten stellen ons in staat om een ​​getrouw model van dit gedrag in een solid-state systeem te implementeren, " zei Wei Lu, U-M hoogleraar elektrische en computertechniek en senior auteur van de studie in Natuurmaterialen .

Memristors zijn elektrische weerstanden met geheugen-geavanceerde elektronische apparaten die de stroom regelen op basis van de geschiedenis van de spanningen die erop worden toegepast. Ze kunnen tegelijkertijd gegevens opslaan en verwerken, waardoor ze een stuk efficiënter zijn dan traditionele systemen. Ze kunnen nieuwe platforms mogelijk maken die een groot aantal signalen parallel verwerken en in staat zijn tot geavanceerde machine learning.

De memristor is een goed model voor een synaps. Het bootst de manier na waarop de verbindingen tussen neuronen versterken of verzwakken wanneer signalen er doorheen gaan. Maar de veranderingen in geleiding komen meestal van veranderingen in de vorm van de kanalen van geleidend materiaal in de memristor. Deze kanalen - en het vermogen van de memristor om elektriciteit te geleiden - konden in eerdere apparaten niet precies worden geregeld.

Nutsvoorzieningen, het UM-team heeft een memristor gemaakt waarin ze de geleidende paden beter beheersen. Ze ontwikkelden een nieuw materiaal uit de halfgeleider molybdeendisulfide - een 'tweedimensionaal' materiaal dat kan worden afgepeld in lagen van slechts enkele atomen dik. Lu's team injecteerde lithiumionen in de openingen tussen molybdeendisulfidelagen.

Ze ontdekten dat als er genoeg lithiumionen aanwezig zijn, het molybdeensulfide transformeert zijn roosterstructuur, waardoor elektronen gemakkelijk door de film kunnen lopen alsof het een metaal is. Maar in gebieden met te weinig lithiumionen, het molybdeensulfide herstelt zijn oorspronkelijke roosterstructuur en wordt een halfgeleider, en elektrische signalen komen er moeilijk doorheen.

De lithiumionen zijn gemakkelijk te herschikken in de laag door ze te schuiven met een elektrisch veld. Dit verandert beetje bij beetje de grootte van de gebieden die elektriciteit geleiden en regelt daardoor de geleiding van het apparaat.

"Omdat we de 'bulk'-eigenschappen van de film veranderen, de geleidingsverandering is veel geleidelijker en veel beter controleerbaar, ' zei Lu.

Naast dat de apparaten zich beter gedragen, de gelaagde structuur stelde Lu's team in staat om meerdere memristors aan elkaar te koppelen via gedeelde lithiumionen, waardoor een soort verbinding ontstond die ook in de hersenen wordt aangetroffen. dendriet van een enkele neuron, of zijn signaalontvangende einde, kan verschillende synapsen hebben die het verbinden met de signaalarmen van andere neuronen. Lu vergelijkt de beschikbaarheid van lithiumionen met die van een eiwit dat synapsen laat groeien.

Als de groei van één synaps deze eiwitten vrijmaakt, plasticiteitsgerelateerde eiwitten genoemd, andere synapsen in de buurt kunnen ook groeien - dit is samenwerking. Neurowetenschappers hebben betoogd dat samenwerking tussen synapsen helpt om snel levendige herinneringen te vormen die tientallen jaren meegaan en associatieve herinneringen te creëren, als een geur die je doet denken aan het huis van je grootmoeder, bijvoorbeeld. Als het eiwit schaars is, de ene synaps zal groeien ten koste van de andere - en deze competitie verkleint de verbindingen van onze hersenen en zorgt ervoor dat ze niet exploderen met signalen.

Lu's team was in staat om deze verschijnselen direct te laten zien met behulp van hun memristor-apparaten. In het wedstrijdscenario lithiumionen werden aan één kant van het apparaat afgevoerd. De kant met de lithiumionen verhoogde zijn geleidbaarheid, het nabootsen van de groei, en de geleiding van het apparaat met weinig lithium was belemmerd.

In een samenwerkingsscenario ze maakten een memristornetwerk met vier apparaten die lithiumionen kunnen uitwisselen, en vervolgens wat lithiumionen van het ene apparaat naar het andere overgeheveld. In dit geval, niet alleen kon de lithiumdonor zijn geleiding verhogen, de andere drie apparaten konden dat ook, hoewel hun signalen niet zo sterk waren.

Lu's team bouwt momenteel netwerken van memristors zoals deze om hun potentieel voor neuromorfisch computergebruik te verkennen. die het circuit van de hersenen nabootst.