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密歇根大学开发的一种新的电子设备可以直接对突触的行为进行建模

2021-03-26 13:31

密歇根大学开发的一种新的电子设备可以直接对突触的行为进行建模,突触是两个神经元之间的连接。第一次,可以在硬件中探索神经元共享或竞争资源的方式,而无需复杂的电路。

密歇根大学开发的一种新的电子设备可以直接对突触的行为进行建模

二硫化钼层之间有锂离子的示意图。右侧的简化插图显示了二硫化钼如何在存在和不存在锂原子的情况下分别在金属(1T'相)和半导体(2H相)之间改变其原子排列。图片来源:密歇根大学纳米电子集团的朱晓健。

“神经科学家认为,突触之间的竞争与合作行为非常重要。我们的新型忆阻器件使我们能够在固态系统中实现这些行为的忠实模型。 UM电气与计算机工程教授,《自然材料》研究的资深作者韦鲁说。

突触从连接神经元之一接收信号的示意图。该信号激活可塑性相关蛋白(PRP)的生成,该蛋白可帮助突触生长。它们可以迁移到其他突触,从而使多个突触一次增长。新设备是第一个直接模拟此过程的设备,而无需软件或复杂的电路。图片来源:密歇根大学纳米电子集团的朱晓健。

忆阻器是带有存储器的电阻器-先进的电子设备,可根据施加到其上的电压的历史来调节电流。它们可以同时存储和处理数据,这使其效率比传统系统高得多。它们可以使新平台能够并行处理大量信号,并能够进行高级机器学习。

忆阻器是突触的良好模型。它模仿了当信号通过神经元时,神经元之间的连接增强或减弱的方式。但是电导的变化通常来自忆阻器内导电材料的通道形状的变化。这些通道以及忆阻器的导电能力无法在以前的设备中精确控制。

现在,UM团队已经建立了一个忆阻器,可以更好地控制导电路径。他们从半导体二硫化钼中开发了一种新材料-一种“二维材料,可以将其剥离成仅几个原子厚的层。卢的团队将锂离子注入二硫化钼层之间的间隙中。

他们发现,如果存在足够的锂离子,则硫化钼会转变其晶格结构,使电子像金属一样容易穿过薄膜。但是在锂离子太少的区域,硫化钼恢复了其原始的晶格结构并成为半导体,电信号很难通过。

电子显微镜图像显示了代表信号神经元的矩形金(Au)电极和代表接收神经元的圆形电极。电极上层叠有锂的二硫化钼材料连接电极,从而可以模拟突触之间的协同生长。图片来源:密歇根大学纳米电子集团的朱晓健。

通过在电场中滑动锂离子,锂离子很容易在层内重新排列。这一点一点地改变了导电的区域的大小,从而控制了设备的电导。

卢说:“因为我们改变了薄膜的'散装'特性,所以电导的变化更加平缓和可控。

除了使设备的性能更好外,这种分层结构还使Lu的团队能够通过共享的锂离子将多个忆阻器连接在一起,从而创造了一种大脑也能找到的连接。单个神经元的树突或其信号接收端可能具有多个突触,将其连接到其他神经元的信号臂。Lu将锂离子的可用性与使突触得以生长的蛋白质的可用性进行了比较。

如果一个突触的生长释放出这些蛋白,称为可塑性相关蛋白,附近的其他突触也可以生长-这就是合作。神经科学家认为,突触之间的合作有助于快速形成持续数十年的生动记忆,并建立联想记忆,例如使人想起祖母房屋的气味。如果蛋白质缺乏,那么一个突触就会以另一种突触为代价生长,而这种竞争会削弱我们大脑的连接,并使它们不被信号爆炸。

卢的团队能够使用其忆阻器设备直接显示这些现象。在竞争情况下,锂离子从设备的一侧排出。带有锂离子的一面增加了电导,模拟了生长,并且锂含量低的器件的电导被阻滞了。

在一个合作方案中,他们用四个可以交换锂离子的设备组成一个忆阻器网络,然后将一部分设备中的锂离子虹吸到另一设备中。在这种情况下,锂供体不仅可以提高电导率,其他三个设备也可以提高电导率,尽管它们的信号并不那么强。

Lu的团队目前正在建立类似这样的忆阻器网络,以探索其在模仿神经回路的神经形态计算中的潜力。

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