Hersenfuncties nabootsen met grafeen-diamantverbindingen

Het menselijk brein bevat het geheim van onze unieke persoonlijkheden. Maar wist u dat het ook de basis kan vormen van zeer efficiënte computerapparatuur? Onderzoekers van de Universiteit van Nagoya, Japan, hebben onlangs laten zien hoe je dit kunt doen, door middel van grafeen-diamant-overgangen die enkele van de functies van het menselijk brein nabootsen.

Maar waarom zouden wetenschappers proberen het menselijk brein na te bootsen? Tegenwoordig worden bestaande computerarchitecturen onderworpen aan complexe gegevens, waardoor hun verwerkingssnelheid wordt beperkt. Het menselijk brein kan daarentegen zeer complexe gegevens, zoals afbeeldingen, met hoge efficiëntie verwerken. Wetenschappers hebben daarom geprobeerd om “neuromorfe” architecturen te bouwen die het neurale netwerk in de hersenen nabootsen.

Een fenomeen dat essentieel is voor geheugen en leren is ‘synaptische plasticiteit’, het vermogen van synapsen (neuronale verbindingen) om zich aan te passen als reactie op een verhoogde of verminderde activiteit. Wetenschappers hebben geprobeerd een soortgelijk effect na te bootsen met behulp van transistors en “memristors” (elektronische geheugenapparaten waarvan de weerstand kan worden opgeslagen). Recent ontwikkelde lichtgestuurde memristors, of “fotomemristors”, kunnen zowel licht detecteren als een niet-vluchtig geheugen bieden, vergelijkbaar met menselijke visuele waarneming en geheugen. Deze uitstekende eigenschappen hebben de deur geopend naar een hele nieuwe wereld van materialen die kunnen fungeren als kunstmatige opto-elektronische synapsen!

Dit motiveerde het onderzoeksteam van de Universiteit van Nagoya om grafeen-diamant-juncties te ontwerpen die de kenmerken van biologische synapsen en belangrijke geheugenfuncties kunnen nabootsen, waardoor deuren worden geopend voor de volgende generatie beeldgevoelige geheugenapparaten. In hun recente studie gepubliceerd in Koolstof, demonstreerden de onderzoekers, onder leiding van Dr. Kenji Ueda, opto-elektronisch gestuurde synaptische functies met behulp van verbindingen tussen verticaal uitgelijnd grafeen (VG) en diamant. De gefabriceerde knooppunten bootsen biologische synaptische functies na, zoals de productie van “exciterende postsynaptische stroom” (EPSC) – de lading die wordt geïnduceerd door neurotransmitters op het synaptische membraan – wanneer ze worden gestimuleerd met optische pulsen en vertonen andere basale hersenfuncties zoals de overgang van korte- termijngeheugen (STM) naar langetermijngeheugen (LTM).

Dr. Ueda legt uit: “Onze hersenen zijn goed uitgerust om de beschikbare informatie te doorzoeken en op te slaan wat belangrijk is. We hebben iets soortgelijks geprobeerd met onze VG-diamant-arrays, die het menselijk brein nabootsen wanneer ze worden blootgesteld aan optische stimuli.” Hij voegt eraan toe: “Deze studie werd veroorzaakt door een ontdekking in 2016, toen we een grote optisch geïnduceerde geleidbaarheidsverandering in grafeen-diamantovergangen vonden.” Afgezien van EPSC, STM en LTM vertonen de knooppunten ook een gepaarde pulsfacilitatie van 300% – een toename van postsynaptische stroom wanneer deze nauw wordt voorafgegaan door een eerdere synaps.

De VG-diamant-arrays ondergingen redoxreacties die werden geïnduceerd door fluorescerend licht en blauwe LED’s onder een voorspanning. De onderzoekers schreven dit toe aan de aanwezigheid van verschillend gehybridiseerde koolstoffen van grafeen en diamant op de junctie-interface, wat leidde tot de migratie van ionen als reactie op het licht en op zijn beurt de juncties in staat stelde om fotogevoelige en foto-controleerbare functies uit te voeren vergelijkbaar met die worden uitgevoerd door de hersenen en het netvlies. Bovendien overtroffen de VG-diamant-arrays de prestaties van conventionele op zeldzame metalen gebaseerde lichtgevoelige materialen in termen van lichtgevoeligheid en structurele eenvoud.

Dr. Ueda zegt: “Onze studie geeft een beter begrip van het werkingsmechanisme achter het kunstmatige opto-elektronische synaptische gedrag, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor optisch bestuurbare, hersen-nabootsende computers, betere informatieverwerkingsmogelijkheden dan bestaande computers.”

De toekomst van de volgende generatie computers is misschien niet ver weg.