Solo 10 anni fa, gli scienziati che lavoravano su ciò che speravano avrebbe aperto una nuova frontiera dell'informatica neuromorfica potevano solo sognare un dispositivo che utilizzava strumenti in miniatura chiamati memristori che avrebbero funzionato/operato come vere sinapsi cerebrali.

Ma ora un team dell'Università del Massachusetts Amherst ha scoperto, mentre sono sulla buona strada per comprendere meglio i nanofili proteici, come usare questi biologici, filamenti conduttori di elettricità per creare un memristore neuromorfo, o "transistor di memoria, " dispositivo. Funziona in modo estremamente efficiente a bassissima potenza, come fanno i cervelli, per trasportare segnali tra i neuroni. I dettagli sono in Comunicazioni sulla natura .

Come primo autore Tianda Fu, un dottorato di ricerca candidato in ingegneria elettrica e informatica, spiega, uno dei maggiori ostacoli all'informatica neuromorfica, e uno che lo faceva sembrare irraggiungibile, è che la maggior parte dei computer convenzionali funziona a più di 1 volt, mentre il cervello invia segnali chiamati potenziali d'azione tra i neuroni a circa 80 millivolt, molte volte inferiori. Oggi, un decennio dopo i primi esperimenti, la tensione del memristore è stata raggiunta nell'intervallo simile al computer convenzionale, ma scendere sotto che sembrava improbabile, Aggiunge.

Fu riferisce che utilizzando nanofili proteici sviluppati presso UMass Amherst dal batterio Geobacter dal microbiologo e coautore Derek Lovely, ora ha condotto esperimenti in cui i memristori hanno raggiunto tensioni neurologiche. Questi test sono stati effettuati nel laboratorio del ricercatore di ingegneria elettrica e informatica e coautore Jun Yao.

Yao dice, "Questa è la prima volta che un dispositivo può funzionare allo stesso livello di voltaggio del cervello. La gente probabilmente non ha nemmeno osato sperare di poter creare un dispositivo efficiente dal punto di vista energetico come le controparti biologiche in un cervello, ma ora abbiamo prove realistiche di capacità di calcolo a bassissima potenza. È una svolta concettuale e pensiamo che causerà molta esplorazione nell'elettronica che funziona nel regime di tensione biologica".

Lovely sottolinea che i nanofili proteici elettricamente conduttivi di Geobacter offrono molti vantaggi rispetto ai costosi nanofili di silicio, che richiedono sostanze chimiche tossiche e processi ad alta energia per essere prodotti. I nanofili proteici sono anche più stabili nell'acqua o nei fluidi corporei, una caratteristica importante per le applicazioni biomediche. Per questo lavoro, i ricercatori tagliano via i nanofili dai batteri in modo che venga utilizzata solo la proteina conduttiva, Aggiunge.

Fu dice che lui e Yao avevano deciso di mettere alla prova i nanofili purificati, per vedere di cosa sono capaci a diverse tensioni, Per esempio. Hanno sperimentato uno schema pulsante on-off di carica positiva-negativa inviata attraverso un minuscolo filo metallico in un memristore, che crea un interruttore elettrico.

Hanno usato un filo di metallo perché i nanofili proteici facilitano la riduzione del metallo, modifica della reattività degli ioni metallici e delle proprietà di trasferimento degli elettroni. Lovely dice che questa capacità microbica non è sorprendente, perché i nanofili batterici selvatici respirano e riducono chimicamente i metalli per ottenere la loro energia nel modo in cui respiriamo l'ossigeno.

Poiché gli impulsi on-off creano cambiamenti nei filamenti metallici, nuove ramificazioni e connessioni vengono create nel piccolo dispositivo, che è 100 volte più piccolo del diametro di un capello umano, Yao spiega. Crea un effetto simile all'apprendimento - nuove connessioni - in un vero cervello. Aggiunge, "Puoi modulare la conducibilità, o la plasticità della sinapsi del nanofilo-memristore in modo che possa emulare componenti biologici per l'elaborazione ispirata al cervello. Rispetto a un computer convenzionale, questo dispositivo ha una capacità di apprendimento che non è basata su software."

Fu ricorda, "Nei primi esperimenti che abbiamo fatto, le prestazioni del nanofilo non erano soddisfacenti, ma ci è bastato per andare avanti." In due anni, vide un miglioramento fino a quando un fatidico giorno in cui i suoi occhi e quelli di Yao furono inchiodati dalle misurazioni della tensione che apparivano sullo schermo di un computer.

"Ricordo il giorno in cui abbiamo assistito a questa grande prestazione. Abbiamo guardato il computer mentre veniva misurata la corrente di tensione. Continuava a scendere e scendere e ci siamo detti l'un l'altro, 'Oh, sta funzionando.' È stato molto sorprendente e molto incoraggiante".

Fu, Yao, Lovely e colleghi hanno in programma di seguire questa scoperta con ulteriori ricerche sui meccanismi, e per "esplorare completamente la chimica, biologia ed elettronica" dei nanofili proteici nei memristori, Fu dice, più possibili applicazioni, che potrebbe includere un dispositivo per monitorare la frequenza cardiaca, Per esempio. Yao aggiunge, "Questo offre speranza nella fattibilità che un giorno questo dispositivo possa parlare con i neuroni reali nei sistemi biologici".