Un nuovo dispositivo elettronico sviluppato presso l'Università del Michigan può modellare direttamente i comportamenti di una sinapsi, che è una connessione tra due neuroni.

Per la prima volta, il modo in cui i neuroni condividono o competono per le risorse può essere esplorato nell'hardware senza la necessità di circuiti complicati.

"I neuroscienziati hanno sostenuto che i comportamenti di competizione e cooperazione tra le sinapsi sono molto importanti. I nostri nuovi dispositivi memristivi ci consentono di implementare un modello fedele di questi comportamenti in un sistema a stato solido, " ha detto Wei Lu, Professore UM di ingegneria elettrica e informatica e autore senior dello studio in Materiali della natura .

I memristori sono resistori elettrici con memoria, dispositivi elettronici avanzati che regolano la corrente in base alla cronologia delle tensioni applicate ad essi. Possono memorizzare ed elaborare i dati contemporaneamente, il che li rende molto più efficienti dei sistemi tradizionali. Potrebbero abilitare nuove piattaforme che elaborano un vasto numero di segnali in parallelo e sono in grado di eseguire un apprendimento automatico avanzato.

Il memristor è un buon modello per una sinapsi. Imita il modo in cui le connessioni tra i neuroni si rafforzano o si indeboliscono quando i segnali li attraversano. Ma i cambiamenti nella conduttanza derivano tipicamente da cambiamenti nella forma dei canali di materiale conduttivo all'interno del memristore. Questi canali, e la capacità del memristor di condurre elettricità, non potevano essere controllati con precisione nei dispositivi precedenti.

Ora, il team di UM ha realizzato un memristore in cui hanno una migliore padronanza dei percorsi conduttivi. Hanno sviluppato un nuovo materiale dal disolfuro di molibdeno semiconduttore, un materiale "bidimensionale" che può essere sbucciato in strati dello spessore di pochi atomi. Il team di Lu ha iniettato ioni di litio negli spazi tra gli strati di bisolfuro di molibdeno.

Hanno scoperto che se sono presenti abbastanza ioni di litio, il solfuro di molibdeno trasforma la sua struttura reticolare, consentendo agli elettroni di scorrere facilmente attraverso il film come se fosse un metallo. Ma in aree con troppo pochi ioni di litio, il solfuro di molibdeno ripristina la sua struttura reticolare originale e diventa un semiconduttore, e i segnali elettrici hanno difficoltà a passare.

Gli ioni di litio sono facili da riorganizzare all'interno dello strato facendoli scorrere con un campo elettrico. Questo cambia a poco a poco la dimensione delle regioni che conducono l'elettricità e quindi controlla la conduttanza del dispositivo.

"Poiché cambiamo le proprietà 'di massa' del film, il cambiamento di conduttanza è molto più graduale e molto più controllabile, " disse Lu.

Oltre a far funzionare meglio i dispositivi, la struttura a strati ha permesso al team di Lu di collegare più memristori insieme attraverso ioni di litio condivisi, creando un tipo di connessione che si trova anche nel cervello. dendrite di un singolo neurone, o la sua fine di ricezione del segnale, può avere diverse sinapsi che lo collegano ai bracci di segnalazione di altri neuroni. Lu confronta la disponibilità di ioni di litio con quella di una proteina che consente la crescita delle sinapsi.

Se la crescita di una sinapsi rilascia queste proteine, chiamate proteine ​​legate alla plasticità, anche altre sinapsi vicine possono crescere:questa è cooperazione. I neuroscienziati hanno sostenuto che la cooperazione tra le sinapsi aiuta a formare rapidamente ricordi vividi che durano per decenni e creano ricordi associativi, come un profumo che ti ricorda la casa di tua nonna, Per esempio. Se la proteina è scarsa, una sinapsi crescerà a spese dell'altra e questa competizione riduce le connessioni del nostro cervello e impedisce loro di esplodere con i segnali.

Il team di Lu è stato in grado di mostrare questi fenomeni direttamente utilizzando i loro dispositivi memristor. Nello scenario della concorrenza, gli ioni di litio sono stati drenati da un lato del dispositivo. Il lato con gli ioni di litio ha aumentato la sua conduttanza, emulando la crescita, e la conduttanza del dispositivo con poco litio era stentata.

In uno scenario di cooperazione, hanno realizzato una rete di memristori con quattro dispositivi in ​​grado di scambiare ioni di litio, e poi ha travasato alcuni ioni di litio da un dispositivo agli altri. In questo caso, non solo il donatore di litio potrebbe aumentare la sua conduttanza, anche gli altri tre dispositivi potrebbero, anche se i loro segnali non erano così forti.

Il team di Lu sta attualmente costruendo reti di memristori come questi per esplorare il loro potenziale per il calcolo neuromorfico, che imita i circuiti del cervello.