De ontwikkeling van energiezuinige neuromorfe computers en het onderzoek naar neurologische aandoeningen kunnen een flinke impuls krijgen door een ontdekking van het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Onderzoekers hebben aangetoond dat celmembranen direct in staat zijn tot leereffecten en geheugenvorming. Tot dusver werden membraanstructuren voornamelijk gezien als passieve omhulsels, maar de nieuwe bevindingen tonen aan dat ze actief de ionenstromen in cellen reguleren. Dit betekent dat zachte materialen in de toekomst gebruikt kunnen worden om menselijke hersensignalen na te bootsen in kunstmatige synapsen.
- Wetenschappers van Oak Ridge National Laboratory ontdekten dat lipide-dubbellagen elektrisch geheugengedrag vertonen.
- In hetzelfde membraan zijn zowel eigenschappen van geheugenweerstanden als geheugencondensatoren aangetroffen.
- De ontdekking kan leiden tot energiezuinige hardware en meer inzicht in behandelingen met lithium.
Van eenvoudige oliedruppels tot neurale patronen
Het onderzoek begon toen neutronenwetenschapper John Katsaras en procesingenieur Pat Collier van ORNL hun wetenschappelijke vakgebieden samenvoegden. Katsaras bracht veertig jaar ervaring in de structuur van lipide-dubbellagen in — de basiselementen van moleculen in membraanstructuren — terwijl Collier zachte materialen wilde verkennen voor neuromorf computen, een technologie die de informatieverwerking van het menselijk brein nabootst.
Om de eigenschappen van membranen onder elektrische stimulatie te testen, maakten de onderzoekers in eerste instantie gebruik van waterdruppels zwevend in olie. Tijdens die eerste experimenten stuitten Katsaras en Collier op onverwachte elektrische data. De gemeten patronen bleken stabiel te veranderen op een manier die normaal gesproken alleen bij neurale activiteit in de hersenen wordt waargenomen. Hierop verlegden de wetenschappers hun focus naar de membranen rondom neuronen, de plek waar leer- en geheugenprocessen plaatsvinden.
Stabiele geheugentoestanden in moleculaire structuren
In de afgelopen vijf jaar verzamelden de onderzoekers steeds meer bewijs voor de actieve rol van membranen. In 2022 toonden ze aan dat lipide-dubbellagen kenmerken van het langetermijngeheugen kunnen nabootsen. Later bleek dat elektrische en mechanische prikkels de membranen zodanig herstructureren dat er verschillende, stabiele geheugentoestanden ontstaan die langdurig behouden blijven. In samenwerking met Louisiana State University werd ook geëxperimenteerd met rotaxanes: piepkleine moleculaire machines die onder invloed van licht van vorm veranderen en als schakelaar fungeren.
In hetzelfde membraan kan een lipide-dubbellaag zich op de ene plek herstructureren tot een geheugenweerstand, terwijl hij op een andere plek werkt als een geheugencondensator.
Het naast elkaar voorkomen van memristantie en memcapacitantie toont aan dat vetlagen de elektrische stroom door membraaneiwitten actief sturen. Voor computerontwikkelaars betekent dit dat biologisch geïnspireerde zachte materialen ingezet kunnen worden voor geavanceerde, veelzijdige sensoren en rekenchips die aanzienlijk minder stroom verbruiken dan traditionele siliciumchips.
Nieuwe inzichten in de werking van lithium
De onderzoekers bereiden vervolgexperimenten voor met behulp van neutronenverstrooiing om de moleculaire herrangschikking zonder schade op atomair niveau vast te leggen. Daarbij kijken ze specifiek naar hoe de moleculen in membranen herstructureren om de stroom van kaliumionen te vergroten of te verkleinen, vergelijkbaar met een kraan die de watertoevoer regelt.
Een belangrijk onderdeel van het aanstaande onderzoek is de wisselwerking tussen deze membranen en lithium. Lithium wordt veelvuldig voorgeschreven bij bipolaire stoornissen en wordt onderzocht vanwege mogelijke neuroprotectieve effecten bij aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer. Als de wetenschappers erin slagen deze interacties in kaart te brengen, levert dat niet alleen fundamenteel medisch inzicht op, maar ook praktische kennis voor het ontwerpen van kunstmatige synapsen in breinachtige hardware.
Zie jij een toekomst voor computers die werken met biologisch geïnspireerde materialen in plaats van silicium? Laat je reactie achter in de reacties.
