Создан способный к запоминанию искусственный синапс в виде молекулы
Ирландские ученые разработали органические молекулы, которые могут имитировать работу синапсов между нейронами головного мозга. В них осуществляется быстрый перенос электронов, аналогичный быстрому распространению потенциалов действия, и медленная диффузия протонов, которая напоминает выработку нейромедиаторов.Nature Materials: создан молекулярный переключатель, имитирующий синапсы головного мозга
Фото: National Cancer Institute / Unsplash
Ученые Лимерикского университета (Ирландия) разработали органические молекулы, которые могут имитировать работу синапсов между нейронами головного мозга. О создании динамического молекулярного переключателя, демонстрирующего гистерезис, сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
Гистерезис — это свойство материала «запоминать» предыдущее воздействие, изменяя свое состояние таким образом, что ответ на повторное воздействие будет отличаться от прежнего. Это свойство важно для устройств, которые имитируют усиление и ослабление сигналов, проходящих через синапсы головного мозга. Обычно для этой цели используют мемристоры — это программируемые резисторы, которые способны «запоминать» приложенное к ним напряжение и ток. Однако наиболее привлекательной альтернативой являются молекулярные искусственные синапсы гораздо меньшего размера, чем традиционные мемристивные схемы.
До сих пор молекулярные переключатели были способны переходить лишь между двух состояний — включено и выключено. В новой работе исследователи представили органическую молекулу, которая переключается из состояний с высокой проводимостью в состояния с низкой проводимостью и при этом «запоминает» историю прошлых переходов, в результате чего вероятность переключения и значения обоих состояний постоянно меняется. Молекулярное устройство успешно демонстрирует синаптическое поведение, условные рефлексы на воздействие и логику, необходимую для глубокого обучения.
В биологических синапсах информация передается в виде потенциала действия от пресинаптического нейрона к постсинаптическому нейрону через синаптическую щель. Этот процесс регулируется нейромедиаторами — молекулами, которые выпускаются в пространство между нейронами и оказывают на постсинаптический нейрон возбуждающее или тормозное действие. Быстрая деполяризация мембраны нейрона, являющаяся движущей силой потенциала действия, в сочетании с медленной диффузией ионов и нейромедиаторов усиливает или ослабляет синапсы в зависимости от активности самих синапсов.
Чтобы воспроизвести эти процессы в молекулярном переключателе, исследователи взяли за основу молекулы гексаазатринафтилена (HATNA), которые образуют слой толщиной 2,4 нанометра, что на три порядка тоньше нейронного синапса. Ученые скомбинировали быстрый перенос электронов, что имитирует деполяризацию и распространение потенциалов действия, и связанный с протонами перенос электронов (proton-coupled electron transfer, PCET), ограниченный диффузией. PCET более медленный процесс, чем обычный перенос электронов, что делает его аналогом нейромедиаторной активности.
Именно PCET стал ключевым фактором пластичности, аналогичной таковой у биологических синапсов. По словам ученых, протонный транспорт электронов является многообещающим способом создания химических соединений, которые имитируют мозговые функции.
