مقالة منهجية

الجمعية وتوصيف ميمريستورس الجزيئية البيولوجية تتكون من الأغشية الدهنية قناة أيون يخدر

DOI:

10.3791/58998

⸱

مارس 9, 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Joint Institute for Biological Sciences, Oak Ridge National Laboratory, 2Department of Mechanical, Aerospace and Biomedical Engineering, University of Tennessee, 3Bredesen Center for Interdisciplinary Research, University of Tennessee, 4Department of Biosystems and Agriculture Engineering, University of Kentucky, 5Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Tennessee, 6Computer Science and Mathematics Division, Oak Ridge National Laboratory, 7Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لينة، طاقة منخفضة، ميمريستورس الجزيئية البيولوجية الاستفادة من تكوين مماثل، هيكل، وتبديل آليات للاشتباكات العصبية الحيوية. المقدمة هنا هو بروتوكول لتجميع وتميز ميمريستورس الجزيئية البيولوجية الحصول من العزل بيلاييرس الدهن شكلت بين قطرات الماء في النفط. إدراج نتائج الببتيدات الاميثيسين تنشيط الجهد في الموصلية الأيونية ميمريستيفي عبر الغشاء.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

القدرة على إعادة إنشاء وظائف متشابك في عناصر الدارة الاصطناعية أمر ضروري للحوسبة الأنظمة التي تسعى إلى محاكاة القوى المعرفية للدماغ مع الكفاءة قابلة للمقارنة وكثافة نيورومورفيك. وحتى الآن، الترانزستورات الثلاثة--المحطة الطرفية المستندة إلى السليكون والثاني-الطرفية ميمريستورس قد استخدمت على نطاق واسع في الدوائر نيورومورفيك، في جزء كبير منه بسبب قدرتها على مواقع مشتركة في معالجة المعلومات والذاكرة. ولكن هذه الأجهزة لا يمكن تحقيق الترابط والتعقيد في الدماغ لأنها تفشل المتعطشين للسلطة، لمحاكاة الرئيسية وظائف متشابك، وتعاني من ضوضاء عالية وتبديل عالية الفولتية. للتغلب على هذه القيود، ولدينا نمواً وتتميز memristor الجزيئية البيولوجية الذي يحاكي تكوين وهيكل، وخصائص التحويل من الاشتباكات العصبية البيولوجية. هنا، يمكننا وصف عملية تجميع وتميز ميمريستورس الجزيئية البيولوجية تتكون من بلير 5 نانومتر سميكة الدهن تشكيلها بين قطرات الماء دهن فونكتيوناليزيد في النفط ويخدر مع الببتيدات الاميثيسين تنشيط الجهد. في حين استخدمت بروتوكولات الجمعية مماثلة للتحقيق في الخصائص الفيزيائية الأغشية المدعومة من قطرات الدهن وقنوات أيون غشاء زمنياً، تركز هذه المقالة على التعديلات الرئيسية لأسلوب الحبرية بلير الواجهة الأساسية تحقيق الأداء memristor متسقة. على وجه التحديد، نحن وصف عملية إعداد الحويصلية وإدراج الببتيدات الاميثيسين في أغشية بلير الدهن، وتركيزات ملائمة كل التأسيسية، فضلا عن تأثيرها على الاستجابة الشاملة ميمريستورس. ونحن أيضا بالتفصيل عملية توصيف ميمريستورس الجزيئية البيولوجية، بما في ذلك قياس وتحليل العلاقات الحالية الفولت ميمريستيفي التي تم الحصول عليها عن طريق فولتاميتري دوري، فضلا عن اللدونة قصيرة الأجل والتعلم استجابة المجوعات الجهد نبض القطارات.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

من المسلم به على نطاق واسع أن الاشتباكات العصبية البيولوجية المسؤولة عن كفاءة عالية وهائلة وتوازي الدماغ بسبب قدرتهم على التعلم ومعالجة المعلومات بطرق شديدة التكيف. هذه الوظيفة منسقة ينبثق من متعددة وبالغة التعقيد الآليات الجزيئية التي تدفع كلا اللدونة متشابك قصيرة الأجل وطويلة الأجل2،1،3،،من45. نظم الحوسبة نيورومورفيك تهدف إلى محاكاة وظائف متشابك في مستويات تقترب الكثافة والتعقيد، وكفاءة استخدام الطاقة في الدماغ، والتي هي بحاجة للجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر مثل الدماغ6،7 , 8-استنساخ متشابك ميزات استخدام عناصر الدوائر الإلكترونية التقليدية هو ومع ذلك، يكاد يكون من المستحيل9، بدلاً من ذلك يتطلب تصميم وتصنيع عناصر الأجهزة الجديدة التي يمكن أن تتكيف مع الإشارات الواردة وتذكر معلومات تاريخ9. هذه الأنواع من الأجهزة المستوحاة من المشبك معروفة كعناصر mem9،10،11 (الذاكرة قصيرة للعناصر)، التي تعتبرها Di فينترا et al.9،11، من السلبية، الثاني-الطرفية أجهزة المقاومة أو السعة محاثة التي يمكن إعادة تكوين استجابة للمؤثرات الخارجية، والتي يمكن أن تذكر الدول السابقة11. لتحقيق مستويات استهلاك الطاقة تقترب من تلك الموجودة في الدماغ، ينبغي أن تستخدم هذه العناصر مواد وآليات مماثلة اللدونة متشابك12.

حتى الآن، الثاني-الطرفية ميمريستورس13،،من1415 الغالب بنيت باستخدام أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS) تكنولوجيا تتميز بتبديل عالية الفولتية وضوضاء عالية. لا يتم تحجيم هذه التكنولوجيا أيضا بسبب استهلاك الطاقة عالية ومنخفضة الكثافة. لمعالجة هذه القيود، أقيمت مؤخرا ميمريستورس العضوية والبوليمر متعددة. ومع ذلك، يحمل هذه الأجهزة ديناميات التحول إلى حد كبير أبطأ بسبب نشر أيون تستغرق وقتاً طويلاً من خلال مصفوفة بوليمر موصل16،17. كنتيجة لذلك، الآليات التي تحاكي كل الأجهزة المستندة إلى CMOS والعضوية ميمريستيفي مستوحاة من المشبك وظائف الظواهر الغاية، يشمل فقط بضع وظائف متشابك مثل سبايك توقيت يعتمد اللدونة (ستدب) 18، في حين تطل على المفتاح الآخر يتميز بأنه أيضا تلعب أدواراً أساسية في جعل الدماغ كمبيوتر قوية وفعالة، مثل اللدونة متشابك مسبقاً، على المدى القصير19.

في الآونة الأخيرة، ادخلنا فئة جديدة من ميمريستيفي الأجهزة12 يضم الببتيدات تنشيط الجهد أدرجت في الأغشية الدهنية المحاكاة البيولوجية الذي يحاكي الجزيئية البيولوجية تكوين وهيكل غشاء، وأيون قناة تشغيل التبديل آليات للاشتباكات العصبية البيولوجية20.  هنا، نحن تصف كيفية تجميع وكهربائيا استجواب هذه الأجهزة الطرفية اثنين، مع تركيز خاص على كيفية تقييم اللدونة قصيرة الأجل لتنفيذ برنامج في الإنترنت تعلم التطبيقات12. الجمعية جهاز يستند إلى أسلوب21 بلير (DIB) واجهة التجميعية التي استخدمت على نطاق واسع في السنوات الأخيرة لدراسة الفيزياء نموذج الأغشية21 وأيون غشاء ربط القنوات22،23، 24، ولبنات البناء لتطوير مواد تستجيب للمنبهات،من25إلى26. نحن تصف عملية غشاء الجمعية والاستجواب بالتفصيل للمهتمين في تطبيقات نيورومورفيك ولكن خبرة في الحيوية أو بيولوجيا الغشاء محدودة. ويشمل البروتوكول أيضا وصفاً كاملا لوصف الإجراء، الذي لا يقل أهمية عملية الجمعية العامة، نظراً لخصائص الجهاز27الكهربائية الحيوية وإعادة التشكيل. نتائج الإجراء والممثل الموصوفة هنا أسس لفئة جديدة منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة ولينة mem-العناصر استناداً إلى واجهات الدهن والجزيئات الحيوية الأخرى للتطبيقات في الحوسبة نيورومورفيك وهياكل الحكم الذاتي والنظم، وحتى واجهات الكمبيوتر الدماغ التكيفية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. الاحتياطات والإرشادات العامة

  1. حدد مناسبة، غير التالفة قياس الاختلاط الأواني (قوارير، قنينة، إلخ) ومعدات المختبرات الأخرى (ملاعق، والمجارف، إلخ) للاستخدام.
  2. التعامل مع الأواني الزجاجية بعناية لتجنب إتلاف، وارتداء قفازات مطاط أو النتريل إلى تجنب تلويث الأواني الزجاجية/المختبرات الطبية مع المخلفات من أطراف الأصابع وحماية جلدك.
  3. تتم إزالة الأواني الزجاجية المختار النظيفة/المختبرات الطبية دقة استخدام الحل المنظفات والماء بالغسل مع فرشاة ناعمة زجاجة حتى نظيفة وجميع البقايا.
  4. أشطف بعناية بماء الصنبور ثم مع المياه (دي). مكان على تجفيف رف للهواء الجاف.
  5. الاختياري: شطف تنظيف الأواني الزجاجية/المختبرات الطبية مع الأيزوبروبيل (معهد الإدارة العامة، 99.5%) ووضع تحت الفراغ تتبخر جميع أصد المتبقية لضمان خلوها من أي ملوثات (~ 2 ح). إزالة من فراغ الغرفة ووضعه في بيئة نظيفة.
    ملاحظة: استخدام مناديل خالية من الوبر لمسح الأواني ومعدات المختبرات. شراء واستخدام قنينة زجاجية صغيرة معقمة وأنابيب قفل صندوق الأمانات لتخزين مواد التحضير وعينه. لمزيد من التفاصيل عن تنظيف الأواني الزجاجية، وإجراءات التشغيل الموحدة المختبرية الأخرى، تشير إلى "قاعدة بيانات التعليم العلوم جوف"28.

2-إعداد حل مائي المخزن المؤقت

  1. ارتداء قفازات اللاتكس أو النتريل، حدد حاوية زجاجية مناسبة ونظيفة لإعداد 50 مل من المخزن المؤقت مائي (كلوريد الصوديوم 500 مم (بوكل)، 10 مم 3-(N-morpholino) حمض بروبانيسولفونيك (والمماسح)، درجة الحموضة 7.0).
  2. استخدام رقمية، عالية الدقة توازن الكتلة وملعقة نظيفة، الاستغناء عن 1.86378 ز بوكل على الورق وزنها نظيفة ثم قم بإضافة إلى حاوية زجاجية.
    ملاحظة: ينبغي أن تختلف تبعاً لحجم المطلوب مبالغ بوكل والممسحات والتركيزات النهائية المرجوة.
  3. وزن 0.10463 ز والمماسح وإضافة إلى حاوية زجاجية. ثم إضافة 50 مل مياه دي لحاوية زجاجية ودوامه جيدا حتى يذوب بوكل والممسحات هي تماما.
  4. تخزين المخزن المؤقت الحل في درجة حرارة الغرفة واستخدامها عند الحاجة.
    ملاحظة: بينما يمكن تخزين الحلول المخزن المؤقت لفترات زمنية طويلة نسبيا، من المستحسن استخدام الحلول الطازجة المخزن المؤقت لنتائج أفضل وأكثر اتساقا.

3-إعداد الدهنية

ملاحظة: الخطوة 3.1 ينطبق فقط إذا فوسفوليبيدات تكتسب كالمساحيق المجففة بالتبريد، و لذلك، قد يتم تخطي إذا يتم شراؤها شكلها في كلوروفورم.

  1. حل 5 ملغ من 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (دفبك) أو الدهون الدماغ يستخرج الدهن الكلي (بتلي) في 1 مل كلوروفورم في قنينة زجاجية معقمة 5 مل.
  2. بينما يحوم بلطف، تتبخر كلوروفورم تحت تيار لطيف من النيتروجين الجاف حتى يبقى فيلم الدهون في الجزء السفلي من القنينة.
  3. مكان القنينة التي تحتوي على الفيلم الدهن تحت الفراغ ح 10-12 للسماح لإزالة كاملة من كلوروفورم المتبقية.
  4. إزالة القنينة من فراغ الغرفة وترطيب الفيلم الدهن بإضافة 10 من مل من محلول مائي المخزن المؤقت إعدادها في الخطوة 2 لتحقيق تركيز دهن نهائي من 2 ملغ/مل.
  5. تجميد (-20 درجةمئوية) وتماماً ذوبان الجليد بتعليق المادة الدهنية ست مرات لتسهيل الجمعية الحويصلية مولتيلاميلار.
    ملاحظة: اسمحوا المخلوط الذوبان في درجة حرارة الغرفة، ابدأ في بيئة دافئة.
  6. استخدام الطارد متاحة تجارياً، قذف الحل الحويصلية بإجبار تعليق الدهن كاملة من خلال غشاء محفوراً في المسار قطرها 0.1 ميكرومتر المسامية. بثق تعليق 11 مرة في الخلافة الفورية للحصول على أونيلاميلار الدهنية مع أقطار من كاليفورنيا 100 نانومترا المطلوبة لتكوين أحادي الطبقة الدهنية السليم. تخزين تعليق الحويصلية في 4 °C واستخدامها خلال أسبوع واحد من الإعداد. للبساطة، تشير إلى حل الحويصلية الناتجة ك "ألف".
    ملاحظة: لقذف الدهنية بتلي، الباحث درجة حرارة التشجيع للاحماء الطارد إلى 45-50 درجةمئوية، أعلى من مرحلة الانتقال من الدهون بتلي (~ 37 درجةمئوية)23،29، لتمكين البثق أسهل. رطب الحويصلية بتلي تعليق يمكن أيضا مباشرة إعداد (بدلاً من تجميد أذاب وقذف) عن طريق وضع القنينة تعليق مغلقة إلى في سونيكاتور حمام في 55 °ج ل ~ 15 دقيقة.

4-إعادة تشكيل الببتيدات الاميثيسين

ملاحظة: هذا الإجراء يصف عملية إعادة تشكيل الاميثيسين في الدهنية إلى تركيز نهائي من 1 ميكرومتر. وهذا التركيز كافية لحمل التيارات نا-مستوى مماثل لتلك المنشورة سابقا12. زيادة تركيز الببتيد سيتم خفض عتبة التحويل وزيادة ستريك التيارات الناجمة عن الجهد التطبيقية29.

  1. حل الببتيدات الاميثيسين في الإيثانول بتركيز نهائي من 2.5 ملغ/مل، دوامة بإيجاز مزيج جيد، وتخزين الحل المخزون في الثلاجة (-20 درجةمئوية).
    ملاحظة: عادة ما يتم شراؤها الببتيدات الاميثيسين في شكل مسحوق.
  2. في أنبوب قفل صندوق الأمانات 1.5 مل، مزيج ميكروليتر 99 الحل "ألف" مع ميكروليتر 1 لحل الاميثيسين الأسهم لتحقيق تركيز الاميثيسين نهائي من 13 ميكرومتر في تعليق الحويصلية.  دوامة مزيج جيد. تشير إلى حل الحويصلية الببتيد الناتجة ك "ب".
  3. 117 مزيج ميكروليتر من حل "ألف" مع 10 ميكروليتر من حل ب لتحقيق تركيز الاميثيسين نهائي 1 مم، ومن ثم دوامة مزيج جيد. تشير إلى أن الحل الناجم عن ذلك "ج".
  4. تخزين الحلول '''' ب و '''' ج 4 °C واستخدامها حسب الحاجة.

5-إعداد [اغروس] هلام

  1. استخدام رقمية، عالية الدقة توازن الكتلة وملعقة نظيفة، إضافة 0.5 غم مسحوق [اغروس] إلى ورقة وزنها نظيفة.
  2. نقل وزن [اغروس] إلى كوب زجاج نظيفة 100 مل وإضافة 50 مل مياه دي [اغروس].
    ملاحظة: هذا سيؤدي إلى حل جل [اغروس] 1% (wt/المجلد).
  3. ضع مغناطيس إثارة نظيفة داخل كوب الزجاج ووضع في الكأس على طبق ساخن إثارة.
  4. بينما التحريك، جلب الخليط ليغلي حتى يذوب تماما [اغروس].
  5. إزالة الكأس من الصفيحة السماح لتبرد الخليط في درجة حرارة الغرفة. تخزين في 4 °C واستخدامها عند الحاجة.
  6. قبل استخدام مرة أخرى، إعادة تذوب في [اغروس] بالتدفئة مع صفيحة أو الميكروويف.

6-تصنيع خزان النفط

ملاحظة: الإجراء الموضح أدناه مجرد واحدة من العديد من الطرق أنه يمكن ملفقة خزان نفط. القارئ تشجيع تصميم واختلاق خزان استناداً إلى المواد المتاحة، تشكيل القدرات والاحتياجات الخاصة.

  1. باستخدام منشار باند، قطع من 12 × 12 × 12 ملم مكعب اﻷكريليك من أكبر 12 مم ورقة اكريليك سميك.
  2. مطحنة حفرة قطرها 12 مم إلى عمق 8-12 مم في أنبوب اﻷكريليك (الشكل 1a).

7-إعداد أقطاب

  1. باستخدام مقص، قص اثنين قطعة (75 ملم) من الأسلاك الفضية (125 ميكرومتر-قطر).
  2. استخدام لهب فتح أخف، تذوب واحدة من نهاية كل سلك الفضة على شكل كرات كروية صغيرة (حوالي 250 ميكرومتر في القطر).
  3. تزج نهايات الكرة في التبييض ح 1-2 إنشاء طلاء فضة كلوريد فضة (Ag/AgCl). لون رمادي داكن يشير إلى أن شكلت طلاء Ag/AgCl (الشكل 2a).
  4. إزالة كل الأسلاك من التبييض واشطف بعناية مع المياه دي ووضع جانبا على مسح نظيفة خالية من الوبر.
  5. تراجع نهايات الكرة في المنصهرة [اغروس] هلام لخلق طبقة رقيقة. هذا الطلاء جل يساعد على ترسيخ قطرات مائي على الأسلاك تحت النفط.
  6. استخدام زجاج قاطع، تقسيم طويلة 10 سم، 1/0.58 OD/معرف مم البورسليكات الزجاج الشعرية إلى اثنين من الشعيرات الدموية 5 سم.
  7. إدراج أحد الشعيرات الدموية الزجاج حائز قطب كهربائي (الشكل 2، ج)، وثم آر واحد من الأسلاك Ag/AgCl في الزجاج الشعرية (الشكل 2d). تغذية سلك Ag/AgCl الأخرى في الزجاج الثاني الشعرية.
  8. جبل الشعرية الزجاج الثاني إلى حامل ميكروبيبيتي زجاج (الشكل 2 هاء، واو).

8-إعداد التجربة

  1. وضع شريحة زجاجية 25 × 75 مم سميكة، 1 ملم على مرحلة المجهر المقلوب (الشكل 1a).
  2. الاستغناء عن بضع قطرات من زيت هيكساديكان في وسط الشريحة الزجاجية، ومن ثم ضع خزان النفط مباشرة على النفط على الشريحة الزجاجية.
    ملاحظة: إضافة النفط بين خزان النفط وشريحة الزجاج يستخدم لتطابق الانكسار من الركازة لتوفير صور أكثر وضوحاً وأكثر وضوحاً.
  3. تماما ملء خزان النفط مع النفط هيكساديكان. تأكد من أن يتم وضع الخزان أعلاه العدسة الهدف.
    ملاحظة: قد تستخدم الزيوت مسعور الأخرى كذلك.
  4. قم بتوصيل صاحب القطب هيدستاجي من مكبر للصوت الحالي. يجب تحميل هيدستاجي على ميكرومانيبولاتور (الشكل 1a) لتقليل طول القطب والضوضاء الكهربائية.
  5. جبل صاحب ميكروبيبيتي الزجاج مع السلك Ag/AgCl الثانية على ميكرومانيبولاتور آخر (الشكل 1a).
  6. استخدام المتلاعبين، موقف أقطاب كهربائية مثل أن [اغروس] المغلفة نصائح الأسلاك Ag/AgCl مغمورة تماما في خزان النفط في طائرة عمودية مشابهة.
  7. محاذاة قطبين ويفصل بينهما بضعة ملليمترات (الشكل 1 أ، ب).
    ملاحظة: بعد إضافة القطرات (الموضح في الخطوة 13)، الأسلاك يجب أن يقدموا كل الطريق حتى نصائح القطب لمس أسفل خزان النفط. وسوف تضمن هذه الخطوة أن الأسلاك لا يتذبذب، وهكذا، سيؤدي ذلك إلى تقليل التقلبات غير ضرورية في التيار المقاسة.

9-السليم التأريض للحد من الضوضاء الكهربائية

  1. إنشاء أرضية الحافلة بخيوط المسمار في الاهتزاز المضادة الجدول الذي يتم وضع المجهر (الشكل 3a).
    ملاحظة: استخدام جدول المضادة اهتزاز مطلوب لتقليل الاهتزازات من المناطق المحيطة، مما قد يسبب تقلبات غير مرغوب فيها في التيار المقاسة.
  2. استخدام أسلاك موصلة، الاتصال المسمار الأرض الأرض (الشكل 3 ألف)، وقم بتوصيل مرحلة مجهر أرضية الحافلة.
  3. ضع قفص فاراداي على الإعداد التجريبية للحد من الضوضاء وثم كهربائياً توصيله إلى الحافلة الأرض (الشكل 3).
    ملاحظة: ينصح دائماً لتجنب حلقات الأرض لا لزوم لها، كما أنها قد تؤدي إلى زيادة في قياس مستوى الضوضاء.

10-التغذية المرتدة تسيطر التدفئة

  1. آلة ألومنيوم تدفئة شل الذي شكل مريح يمكن أن يصلح خزان النفط29.
  2. تأكد من ترك فتحه في الجزء السفلي من shell ليتمكن من عرض من خلال شل عبر المجهر المقلوب.
  3. قم بوضع عنصر تسخين مرنة بوليميد مقاوم 30 x 30 ملم تحت قذيفة الألومنيوم.
  4. مكان يفر بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) عازلة تحت المدفأة الحد من فقدان الحرارة في الاتجاه الهبوطي وحماية المرحلة المجهر.
  5. إدراج الحرارية في مرحلة النفط. بعد التأكد من الحرارية لا تلمس أي سلك Ag/AgCl، توصيل الأسلاك الحرارية الحرارية المجلس اقتناء البيانات وتسجيل درجة الحرارة باستخدام برمجيات برمجة مخصصة.
    ملاحظة: الكتابة على الخروج، ويتناسب مع لا يتجزأ (PI) ردود فعل تحكم في درجة حرارة لتمكين التدفئة والتبريد السلبي في درجة حرارة الزيت إلى قيمة المطلوبة. ويمكن توفير الرموز للقراء عند الطلب.

11-إعداد البرمجيات والمعدات

  1. تحضير البيانات اقتناء البرمجيات بالمحرك على computer (s) والمجهر، مولد دالة، ومكبر للصوت الحالي ونظم جمع البيانات منخفضة الضوضاء.
    ملاحظة: في حين يمكن استخدام أي معدات الاستشعار الحالية، الإرشادات التالية خصيصا لتلك المذكورة في الجدول للمواد. الباحثين الذين يرغبون في بناء مكبر الصوت الحالية الخاصة بهم يمكن الرجوع إلى شليونسكي et al.30.
  2. على اللوحة الأمامية المشبك التصحيح الحالية مكبر للصوت، تعيين عرض اللوحة الأمامية والمصدر-قياس الوضع بطلب إلى فولد/إيهولد والمشبك الخامس، على التوالي.
  3. في اللوحة الأمامية، تعيين س تصفية بيسل 1 كيلو هرتز و الحصول على الإخراج إلى 0.5.
    ملاحظة: اختيار ربح إنتاج منخفض يتيح تسجيل أكبر ستريك الحالي أعلى، بينما زيادة نطاق قياس التضحيات مكسب للحد من الضوضاء القياس.
  4. تعيين التكوين إلى خلية كله β = 1. قد تكون هذه القيمة في وقت لاحق تحولت إلى 0.1 للسماح بتسجيل أكبر السعة التيارات.
  5. تعيين سائر الأوجه التحكم إلى صفر أو في موقف محايد.
  6. تهيئة البرنامج بواسطة النقر المزدوج على أيقونة على سطح المكتب.
  7. انقر فوق تكوين | جهاز الالتقاط الرقمي لفتح مربع الحوار جهاز الالتقاط الرقمي ، ثم انقر فوق الزر تغيير .
  8. في مربع الحوار تغيير جهاز الالتقاط الرقمي ، حدد المحول المناسب من القائمة نوع جهاز الالتقاط الرقمي .
  9. انقر على زر المسح الضوئي للكشف عن جهاز الالتقاط الرقمي.
  10. انقر فوق موافق للخروج من مربع الحوار تغيير جهاز الالتقاط الرقمي ، ومن ثم انقر فوق "موافق" لإنهاء مربع الحوار جهاز الالتقاط الرقمي .
  11. انقر فوقالشكل يخدع | مقاعد البدلاء مختبر.
  12. في علامة التبويب إدخال إشارات من مقاعد البدلاء المختبر، تعيين عامل المقياس إلى 0.0005 الخامس/السلطة الفلسطينية.
    ملاحظة: يجب تحديث هذه القيمة إذا تم تغيير قيم الربح أو بيتا.

12-ماصة الإزاحة

ملاحظة: الإجراء الموضح أدناه ينطبق فقط على مكبر للصوت الحالية المذكورة في الجدول للمواد.

  1. ميكروبيبيتي، باستخدام إيداع 200 nL محلول مائي الدهن "ألف" على طرفي كل سلك Ag/AgCl تحت النفط.
  2. إحضار القطرات إلى جهة اتصال ثم اضغط الزر انطلق على اللوحة الأمامية لمكبر للصوت تتجمع القطرات في مجلد واحد التي تغطي كلا من أقطاب. وهذا ينبغي أن يحفز اختزال استجابة.
  3. تعيين مصدر-قياس وضع الطلب إلى المسار.
  4. تغيير الاتصال الهاتفي عرض اللوحة الأمامية الخامسالمسار.
  5. اتجه إلى إزاحة بيبيتير الاتصال الهاتفي (اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة) حتى mV ما يلي: 0 متر وهو مستقر.
  6. العودة المصدر-قياس وضع الطلب الخامس- المشبك وعرض اللوحة الأمامية في الاتصال الهاتفي إلى V/Iعقدعقد.

13-تشكيل بلير الدهن

  1. الإفراج عن قطرات التي أودعت سابقا عن طريق تحريك أقطاب عمودياً من مرحلة النفط. وهذا يسبب قطرات السقوط من أقطاب كهربائية في النفط. إعادة تغرق ووضع أقطاب كهربائية في النفط.
  2. استخدام ميكروبيبيتي لإيداع 200 nL دهن الحل "ألف" على كل من الأسلاك.
  3. انتظر من 3-5 دقائق للسماح للجمعية أحادي الطبقة الدهنية عفوية تحدث في كل واجهة المياه/النفط.
    ملاحظة: كأشكال أحادي الطبقة الدهنية، انخفاض التوتر السطحي الواجهة المائية/المادة الدهنية/الزيت، الذي يمكن أن يسبب قطرات الترهل إذا كان النفط المحيطة بما فيه الكفاية أقل كثافة21.
  4. أقل أقطاب (قطرات) حتى ينتهي من كل أقطاب بالكاد لمس أسفل خزان النفط (الشكل 1b) وثم نقلها أفقياً لإحضار القطرات إلى جهة الاتصال.
    ملاحظة: سوف رقيقة بلير الدهن عفويا باستثناء فائض من النفط ما بين قطرات الاتصال. عادة ما تحدث هذه العملية داخل 1 دقيقة.

14-الكهربائية توصيف Memristor الجزيئية البيولوجية

  1. دهن بلير تشكيل
    1. لتسجيل تشكيل bilayer الدهن، مما يمثل زيادة في السعة الكهربائية بين قطرات، تطبيق 10 هرتز، 10 mV الموجي الثلاثي الجهد باستخدام مولد دالة (الشكل 4) متصل بالمدخلات الخارجية من المشبك التصحيح مكبر للصوت.
      ملاحظة: نظراً للطبيعة بالسعة من الغشاء الدهني، ينبغي أن تكون الاستجابة الحالية الناتجة عن الموجي مربعة (الشكل 4). أثناء تشكيل بلير الدهن، 11.6 خطوة، الباحث يجب أن تشهد نمواً في السعة الحالية الذروة إلى الذروة وأيضا مراقبة تغيير بصرية بين قطرات متصلة (الشكل 4).
  2. قياسات الجهد الحالي
    ملاحظة: يتم على غرار memristor الجزيئية البيولوجية كمقاوم ومكثف ب التوازي12،21. ولذلك، يمكن أن تحتوي على الاستجابة الحالية للجهاز مكونات كل مقاوم والسعة حسب تواتر الجهد التطبيقي. لدراسة طبيعة الجهاز ميمريستيفي، والحصول على العلاقة الحالية الفولت هيستيريتيك انتزعت12، فإنه قد يكون من الضروري على طرح بالسعة الحالية من المجموع الحالي. البروتوكول أدناه وصف هذا الإجراء.
    1. استخدام مولد دالة، تطبيق الموجي جهد (الثلاثي أو جيبية) لغشاء دهني خالية من الاميثيسين تجميعها مع قطرات حل "أ".
    2. سجل المستحث الاستجابة الحالية عبر ترددات متعددة.
      ملاحظة: يتم تصغير التيارات بالسعة في ترددات تقل عن 10 ميغا هرتز.
    3. سجل حجم بلير دهن السطح البيني أما قياس قطر الغشاء الدهني على الكمبيوتر، أو بتسجيل الذروة إلى الذروة السعة الحالية الناجمة عن 10 هرتز، 10 mV الثلاثي الموجه. السعة الحالية يتناسب مع السعة الغشاء، بدوره النسبي إلى منطقة الغشاء.
    4. إزالة قطرات تحتوي على لا الاميثيسين.
    5. إضافة قطرات مائي جديد باستخدام حل "ج" وشكل بلير دهن.
    6. استخدم في ميكرومانيبولاتورس لضبط الاتصال بين قطرات أن بلير يحتوي على منطقة مماثلة (القطر أو السعة الحالية موجه مربعة) كتلك التي شكلت في وقت سابق.
    7. كرر الخطوتين 14.2.1 و 14.2.2.
    8. طرح مسجل في الخطوة الحالية 14.2.2 من الحالية المسجلة في الخطوة 14.2.7.
    9. الأرض الحالية المستحث مقابل الجهد التطبيقي لكل تردد والموجي للحصول على استجابة ميمريستيفي "انتزعت التباطؤ".
  3. تجارب نبض
    1. باستخدام البرمجيات برمجة مخصصة ومصدر الجهد التناظرية، تولد نبضات الجهد مع ستريك عالية ومنخفضة محددة، في الوقت المناسب، وإيقاف الوقت.
      ملاحظة: هذا لا يلزم إذا كان يمكن أن تتولد نبضات التيار الكهربائي باستخدام مولد دالة تجارية.
    2. السجل الحالي في الاستجابة للنبضات التطبيقية.
    3. نظراً لطبيعة memristor بالسعة، ستسجل المسامير بالسعة. قم بإزالة المسامير بتطبيق مرشح تمرير منخفض مع passband المناسبة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الشكل 1 يعرض برنامج الإعداد التجريبية المستخدمة لتجميع وتميز memristor الجزيئية البيولوجية. خفض ينتهي مجاناً من أقطاب كهربائية إلى أسفل خزان النفط، كما هو مبين في الشكل 1 باء، وتبين أنه من المفيد لتقليل الاهتزازات من أقطاب وقطرات يمكن أن تؤدي إلى اختلافات في المجال الحالي و bilayer المقاسة، لا سيما في الحالات حيث الزيت التدفئة يمكن أن تولد التدفق الحراري في مجال النفط. ويبين الشكل 2 الداخلي، ونتيجة لتجميع الأسلاك Ag/AgCl، فئة الشعير...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وتعرض هذه الورقة على بروتوكول لتجميع وتميز ميمريستورس الجزيئية البيولوجية استناداً إلى أيون يخدر قناة بيوميمبرانيس الاصطناعية شكلت بين اثنين من قطرات من الماء في النفط. تصميم الجهاز لينة-هذه المسألة، والثاني-الطرفية ودرس إلى: 1) التغلب على القيود المرتبطة بالتكنولوجيا ذات الحالة الصلبة، مثل الضوضاء عالية واستهلاك الطاقة العالية، وتبديل عالية الفولتية، تحاكي 2) أوثق التكوين، هيكل ، تبديل آليات الاشتباكات العصبية البيولوجية، و 3) استكشاف آليات وميزات اللدونة المشبك الحيوية التي هي لا تعرض بواسطة أجهزة الحالة الصلبة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هذه المخطوطة وقد تم تأليف UT-Battelle، شركة ذات مسؤولية محدودة، تحت "رقم العقد" AC0500OR22725 دي مع وزارة الطاقة في الولايات المتحدة. وتحتفظ "حكومة الولايات المتحدة" والناشر، بقبول المادة للنشر، تعترف بأن "حكومة الولايات المتحدة" يحتفظ بترخيص غير حصري، المدفوع، ولا رجعة فيه، على نطاق العالم لنشر أو استنساخ النموذج المنشور من هذه المخطوطة، أو السماح للآخرين بالقيام بذلك، لأغراض "حكومة الولايات المتحدة".

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقدم الدعم المالي بالوطني العلم مؤسسة المنح NSF ECCS-1631472. البحث عن G.J.T.، C.D.S.، أ. ب، و C.P.C. وكان جزئيا برعاية مختبر البحوث الموجهة وتطوير البرنامج من مختبر أوك ريدج الوطني، يديرها UT-Battelle، شركة ذات مسؤولية محدودة، "وزارة الطاقة الأمريكية". وقد أجرى جزء من هذه البحوث في المركز "علوم المواد نانوفاسي"، وهو "منشأة" الكيان التشغيلي المعين للمستخدم مكتب العلوم.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1،2-diphytanoy-sn< / em>-glycero-3-phosphocholine (DPhPC)AvantiPolar Lipids850356P / 850356Cتم شراؤها كمسحوق مجفف بالتجميد (P) أو في الكلوروفورم (C)   ؛
Agarose سيجما ألدريتشA9539
أغاروز (0.5 جرام أقراص الاغاروز)المعيارA2501يمكنك إما استخدام شكل المسحوق أو الأقراص  
Alamethicin AG ScientificA-1286
الميزان التحليلي Mettler ToledoME204TE/00
Axopatch 200B مكبر للصوت  الأجهزة الجزيئية-BK
Precision 4017B 10 ميجاهرتز DDs الاجتياح / مولد الوظيفةDigi-KeyBK4017B-ND
الشعيرات الدموية الزجاجية البورسليكاتالعالمية أدوات الدقة1B100F-4
مستخلصات الدهون الإجمالية للدماغ (الخنزير)Avanti Polar Lipids131101
DigiData 1440A نظامالأجهزة الجزيئية-
مجموعة الطارد مع حامل / كتلة التدفئة  Avanti Polar Lipids610000يتضمن ذلك آلة بثق صغيرة ، و 2 حقنة ، و 100 غشاء كمبيوتر ، و 100 دعامة مرشح ، و 1 حامل / كتلة
تسخين فريزر (-20 درجة ؛ ج)VWR الدوليةSCUCBI0420AD
الأواني الزجاجيةVWRالدولية-Hexadecane
، 99٪Sigma-Aldrich544-76-3
الأيزوبروبيل الكحولVWR الدوليBDH1133-4LP
حامل القطب الكهربائي الصغير   ؛أدوات الدقة العالميةMEH1S
MOPSSigma-AldrichM1254
النيتروجين (N2< / sub>) الغازالهواءالغاز UN1066
Parafilm M فيلم مختبر لجميع الأغراضParafilmPM999
قفازات فحص النتريل الناعمة الخالية من المسحوق   ؛VWR InternationalCA89-38-272
مجهر نظيف مسبقة التنظيف Sildes فيشر العلمية 22-267-013
المبرد (4 درجة ؛ ج)VWR InternationalSCUCFS-0504G
سلك فضيGoodFellow147-346-94يمكن استخدام أقطار مختلفة اعتمادا على التطبيق   ؛
كلوريد الصوديوم (KCl)سيجما ألدريتشP3911
تحريك لوحة ساخنةحراري علمي   ؛SP131325
VWR مساحات المناديل الخفيفةVWR International82003-820
VWR Scientific 50D منظف بالموجات فوق الصوتيةVWR International13089

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Thompson, R. F. The neurobiology of learning and memory. Science. 233 (4767), 941-947 (1986).
  2. Squire, L. R. Memory systems of the brain: a brief history and current perspective. Neurobiology of learning and memory. 82 (3), 171-177 (2004).
  3. Benfenati, F. Synaptic plasticity and the neurobiology of learning and memory. Acta Bio Medica Atenei Parmensis. 78 (1Suppl), 58-66 (2007).
  4. Marx, G., Gilon, C. The molecular basis of memory. ACS Chemical Neuroscience. 9 (8), 633-642 (2012).
  5. Izquierdo, I., Medina, J. H. Memory formation: the sequence of biochemical events in the hippocampus and its connection to activity in other brain structures. Neurobiology of learning and memory. 68 (3), 285-316 (1997).
  6. Merolla, P. A. A million spiking-neuron integrated circuit with a scalable communication network and interface. Science. 345 (6197), 668-673 (2014).
  7. Benjamin, B. V. Neurogrid: A mixed-analog-digital multichip system for large-scale neural simulations. Proceedings of the IEEE. 102 (5), 699-716 (2014).
  8. Furber, S. Large-scale neuromorphic computing systems. Journal of neural engineering. 13 (5), 051001(2016).
  9. Di Ventra, M., Pershin, Y. V. The parallel approach. Nature Physics. 9 (4), 200-202 (2013).
  10. Chua, L. Memristor-the missing circuit element. IEEE Transactions on circuit theory. 18 (5), 507-519 (1971).
  11. Di Ventra, M., Pershin, Y. V., Chua, L. O. Circuit elements with memory: memristors, memcapacitors, and meminductors. Proceedings of the IEEE. 97 (10), 1717-1724 (2009).
  12. Najem, J. S. Memristive Ion Channel-Doped Biomembranes as Synaptic Mimics. ACS Nano. , (2018).
  13. Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. The missing memristor found. Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).
  14. Prezioso, M. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors. Nature. 521 (75550), 61-64 (2015).
  15. Prodromakis, T., Toumazou, C., Chua, L. Two centuries of memristors. Nature Materials. 11 (6), 478(2012).
  16. Berzina, T. Optimization of an organic memristor as an adaptive memory element. Journal of Applied Physics. 105 (12), 124515(2009).
  17. van de Burgt, Y., Melianas, A., Keene, S. T., Malliaras, G., Salleo, A. Organic electronics for neuromorphic computing. Nature Electronics. 1, (2018).
  18. Dan, Y., Poo, M. M. Spike timing-dependent plasticity: from synapse to perception. Physiological reviews. 86 (3), 1033-1048 (2006).
  19. Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Reviews of Physiology. 64 (1), 355-405 (2002).
  20. Shepherd, J. D., Huganir, R. L. The cell biology of synaptic plasticity: AMPA receptor trafficking. Annual Review of Cell Developmental Biology. 23, 613-643 (2007).
  21. Taylor, G. J., Venkatesan, G. A., Collier, C. P., Sarles, S. A. Direct in situ measurement of specific capacitance, monolayer tension, and bilayer tension in a droplet interface bilayer. Soft Matter. 11 (38), 7592-7605 (2015).
  22. Najem, J. S. Activation of bacterial channel MscL in mechanically stimulated droplet interface bilayers. Scientific Reports. 5, 13726(2015).
  23. Taylor, G. J. Capacitive Detection of Low-Enthalpy, Higher-Order Phase Transitions in Synthetic and Natural Composition Lipid Membranes. Langmuir. 33 (38), 10016-10026 (2017).
  24. Taylor, G. Electrophysiological interrogation of asymmetric droplet interface bilayers reveals surface-bound alamethicin induces lipid flip-flop. Biochimica et biophysica acta (BBA)-Biomembranes. , (2018).
  25. Sarles, S. A., Garrison, K. L., Young, T. T., Leo, D. J. Formation and Encapsulation of Biomolecular Arrays for Developing Arrays of Membrane-Based Artificial Hair Cell Sensors. Proceedings of the Asme Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (Smasis 2011), Vol 2. , 663-671 (2011).
  26. Sarles, S. A., Leo, D. J. Membrane-based biomolecular smart materials. Smart Materials & Structures. 20 (9), (2011).
  27. Sarles, S. A. Physical encapsulation of interface bilayers. , Virginia Tech. (2010).
  28. JoVE Science Education Datatbase. Organic Chemistry II. Cleaning Glassware. Journal of Visualized Experiments. , Cambridge, MA. (2018).
  29. Taylor, G. J., Sarles, S. A. Heating-enabled formation of droplet interface bilayers using Escherichia coli total lipid extract. Langmuir. 31 (1), 325-337 (2014).
  30. Shlyonsky, V., Dupuis, F., Gall, D. The OpenPicoAmp: an open-source planar lipid bilayer amplifier for hands-on learning of neuroscience. Plos One. 9 (9), e108097(2014).
  31. Najem, J. S. Micropipette-based Method for Incorporation And Stimulation of Bacterial Mechanosensitive Ion Channels in Droplet Interface Bilayers. Journal of Visualized Experiments. (105), (2015).
  32. Bayley, H. Droplet interface bilayers. Molecular Biosystems. 4 (12), 1191-1208 (2008).
  33. Nguyen, M., Srijanto, B., Retterer, S., Collier, C. P., Sarles, S. A. Hydrodynamic trapping for rapid assembly and in situ electrical characterization of droplet interface bilayer arrays. Lab on a Chip. 16, 3576-3588 (2016).
  34. A Soft-Matter Biomolecular Memristor Synapse for Neuromorphic Systems. Weiss, R., Najem, J. S., Hasan, M. S., Schuman, C. D., Belianinov, A., Collier, C. P., Sarles, S. A., Rose, G. S. IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), 1984 Mar 30-31, Cleveland, Ohio, , (2018).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة