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Memristive Ion Channel-Doped Biomembranes as Synaptic Mimics

材料科学 纳米技术 兴奋剂 离子通道 生物物理学 神经科学 化学 光电子学 生物 生物化学 受体
作者
Joseph S. Najem,Graham J. Taylor,Ryan Weiss,Md Sakib Hasan,Garrett S. Rose,Catherine D. Schuman,Alex Belianinov,C. Patrick Collier,Stephen A. Sarles
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (5): 4702-4711 被引量:143
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b01282
摘要

Solid-state neuromorphic systems based on transistors or memristors have yet to achieve the interconnectivity, performance, and energy efficiency of the brain due to excessive noise, undesirable material properties, and nonbiological switching mechanisms. Here we demonstrate that an alamethicin-doped, synthetic biomembrane exhibits memristive behavior, emulates key synaptic functions including paired-pulse facilitation and depression, and enables learning and computing. Unlike state-of-the-art devices, our two-terminal, biomolecular memristor features similar structure (biomembrane), switching mechanism (ion channels), and ionic transport modality as biological synapses while operating at considerably lower power. The reversible and volatile voltage-driven insertion of alamethicin peptides into an insulating lipid bilayer creates conductive pathways that exhibit pinched current–voltage hysteresis at potentials above their insertion threshold. Moreover, the synapse-like dynamic properties of the biomolecular memristor allow for simplified learning circuit implementations. Low-power memristive devices based on stimuli-responsive biomolecules represent a major advance toward implementation of full synaptic functionality in neuromorphic hardware.

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