[論文レビュー] Hydrophobically gated memristive nanopores for neuromorphic applications

Gonçalo Paulo, Ke Sun+7 more|PubMed|Jun 21, 2023

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 75被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、生物学的イオンチャネルを模倣することでナノスケールでエネルギー効率の良いニューロモーフィックコンピューティングを実現する、バイオインスパイアドの疎水性ゲート付きメムリスティブナノポア（HyMN）を提案する。電圧制御による電気的濡れ性を用いてナノバブルを形成し、イオンの流れをゲートすることで、デバイスはメムリスティブなヒステリシスを示し、学習と忘却を可能にするチューナブルなシナプスとして機能する。これは、分子動力学的シミュレーション、連続体モデル、および変異型FraCナノポアにおける電気生理学的実験によって検証された。

ABSTRACT

Signal transmission in the brain relies on voltage-gated ion channels, which exhibit the electrical behaviour of memristors, resistors with memory. State-of-the-art technologies currently employ semiconductor-based neuromorphic approaches, which have already demonstrated their efficacy in machine learning systems. However, these approaches still cannot match performance achieved by biological neurons in terms of energy efficiency and size. In this study, we utilise molecular dynamics simulations, continuum models, and electrophysiological experiments to propose and realise a bioinspired hydrophobically gated memristive nanopore. Our findings indicate that hydrophobic gating enables memory through an electrowetting mechanism, and we establish simple design rules accordingly. Through the engineering of a biological nanopore, we successfully replicate the characteristic hysteresis cycles of a memristor and construct a synaptic device capable of learning and forgetting. This advancement offers a promising pathway for the realization of nanoscale, cost- and energy-effective, and adaptable bioinspired memristors.

研究の動機と目的

• 生物学的イオンチャネルを模倣し、メムリスティブな挙動を示すナノスケールでエネルギー効率の良いニューロモーフィックデバイスを開発すること。
• 半導体ベースのニューロモーフィックシステムの限界を克服するため、より低い消費電力と高いバイオコン patibility を実現するイオントロニクスの原則を活用すること。
• 複雑なタンパク質の構造変化に代わって、疎水性効果と電気的濡れ性を用いたシンプルで頑丈なゲーティングメカニズムを設計すること。
• 生物学的ナノポアにおいて、制御可能なイオン電流ヒステリシスを通じて、学習と忘却を含むシナプス可塑性を実証すること。
• 自由エネルギーのプロファイルと電圧依存のスイッチングキネティクスに基づいて、疎水性ゲート付きナノポアの設計ルールを確立すること。

提案手法

• 水分率（ξw）を関数として、疎水性ナノポア内の水の充填に関する自由エネルギーのプロファイルを計算するために、制限付き分子動力学（RMD）シミュレーションを用いた。
• ナノポアの湿潤状態と乾燥状態の間での電圧依存のスイッチングレート（kw と kd）を記述する連続体モデルを構築した。
• 移動部品のないバブルを介したゲーティングを可能にするために、疎水性を高めるためにG6F,G13F-FraC変異体ナノポアを設計した。
• 電圧クラamped法を用いた平面状リピッドバイレイヤー電気生理学的測定により、イオン電流-電圧（I-V）ヒステリシスサイクルを測定した。
• 電気穿孔とアフィニティーピュリフィケーション（Ni-NTA）を用いて、機能的なFraCオリゴマーを発現および精製した。
• 電気的濡れ性を用いて、ナノポア界面における疎水性から親水性への遷移を制御し、電圧ゲート付きスイッチングを可能にした。

Figure 1: Simple model of a memristive hydrophobic nanopore . a) Atomistic representation of a cylindrical hydrophobic nanopore immersed in water. The nanopore can switch between the wet and dry state with rates $k_{w}$ and $k_{d}$ respectively. These rates depend on the applied voltage across the m

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 疎水性ゲート付きナノポアは、電圧制御によるバブル形成を通じてメムリスティブな挙動を示すことができるか？
• RQ2 ナノポア内の水の充填に関する自由エネルギーのプロファイルは、印加電圧およびポアの幾何学的形状にどのように依存するか？
• RQ3 生物学的ナノポアは、イオン電流ヒステリシスを通じて、学習と忘却を含むシナプス可塑性を示すように設計できるか？
• RQ4 イオントロニクスナノポアで安定的かつ繰り返し可能で、チューナブルなメムリスティブ挙動を実現するための主要な設計ルールは何か？
• RQ5 電気的濡れ性メカニズムは、ニューロモーフィックアプリケーションにおいて、生物学的イオンチャネルの複雑な電圧センシングドメインをどれほど代替できるか？

主な発見

• 疎水性ゲート付きナノポアは、I-V曲線にピンチドヒステリシスループを示し、チャア（1971）が定義したメムリスティブな挙動を確認した。
• 電圧の印加により電気的濡れ性が促進され、ナノバブルの形成が促進され、ポアが導電性（湿潤）状態から非導電性（乾燥）状態にスイッチングされる。これにより記憶が可能になった。
• G6F,G13F-FraC変異体ナノポアは、印加電圧に依存する測定可能なスイッチングレート（kw と kd）を示すメムリスティブヒステリシスを正確に再現した。
• デバイスはシナプス可塑性を示す：繰り返し刺激を受けることで電導度が増加し、逆のプロセスにより忘却が可能であり、生物学的シナプスを模倣した。
• 分子動力学的シミュレーションにより、水の充填の自由エネルギー障壁が電圧に応じて増加し、乾燥状態が安定化され、記憶保持が可能になることが示された。
• 移動部品のない1次元イオントロニクスメムリスティブデバイスとして動作し、スケーラブルで低コストかつエネルギー効率の良いニューロモーフィックコンピューティングのためのプラットフォームを提供する。

Figure 2: Design criteria for HyMNs . a) The intersection of the 4 main design criteria exposed in the main text define a white region in the diameter vs. aspect ratio plane where hydrophobic gating is expected. Here, contact angle $104^{\circ}$ and maximum voltage $\Delta V^{\ast}=0.2$ V are assume