Biomimetic Nanofluidic Synapse with Programmable DNA Ion Gating for Neuromorphic Sensing and Computing

神经形态工程学 纳米技术 突触 化学 离子通道 门控 纳米孔 微流控 DNA 生物分子 跨膜蛋白 纳米线 仿生学 生物物理学 过程(计算) 计算机科学 纳米流体学 分子机器 A-DNA 转导(生物物理学)
作者
Lina Wang,Jin Wang,Shuaishuai Dong,Junjian Lu,Xing‐Hua Xia,Chen Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c13080
摘要

Abstract Biological synapses process information through coupled neurotransmitter and ion fluxes, while conventional electron-based solid-state devices struggle to replicate this chemoelectrical signaling mechanism. Herein, we develop a biomimetic nanofluidic synapse designed for precise and programmable chemical gating. The platform integrates programmable DNA nanochannel (DN) arrays within a phospholipid multilayer assembled in situ on a robust anodic aluminum oxide membrane (termed DPAM), forming a bioinspired ion-gating interface. Crucially, DNA sequence programming enables plug-and-play adaptability for diverse neurotransmitters, while tuning DN dimensions customizes ion transport kinetics. As a prototypical example, glutamate-gated N-methyl-d-aspartate-like signaling is demonstrated to regulate transmembrane Ca2+ flux, successfully emulating fundamental synaptic plasticity. Furthermore, by integrating these synaptic units into an artificial neural network, we demonstrate a chemically encoded handwritten-digit recognition task with an accuracy of 97.1%. This work establishes a versatile platform for neuromorphic systems allow directly processing biochemical signals, holding great promise for brain-machine interfaces and intelligent biosensing.
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