柔软、低功耗的生物分子忆阻器利用了与生物突触相似的组成、结构和开关机制。本文介绍了一种组装和表征生物分子忆阻器的实验方案，该忆阻器来源于油相中水滴之间形成的绝缘脂双层膜。通过引入电压激活的短杆菌肽（alamethicin）肽，可实现跨膜的忆阻性离子电导。
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本文内容
摘要
摘要
在合成电路元件中重现突触功能的能力，对于旨在以相当的效率和密度模拟大脑认知能力的神经形态计算系统至关重要。迄今为止，基于硅的三端晶体管和两端忆阻器已在神经形态电路中得到广泛应用，这主要归功于它们能够将信息处理与存储功能集成于同一位置。然而，这些器件无法实现大脑所具有的连接性和复杂性，原因在于其功耗高、难以模拟关键的突触功能，并且存在噪声大、开关电压高等问题。为克服这些局限性，我们开发并表征了一种生物分子忆阻器，该器件在组成、结构和开关特性方面均模拟了生物突触。本文描述了由油相中脂质功能化水滴之间形成的5 nm厚脂双层，并掺杂电压激活的短杆菌肽A（alamethicin）肽所构成的生物分子忆阻器的组装与表征过程。尽管类似的组装方法已被用于研究水滴支撑脂膜及膜结合离子通道的生物物理特性，但本文重点介绍液滴界面双层法中的若干关键改进，这些改进对于实现稳定的忆阻器性能至关重要。具体而言，我们阐述了脂质体的制备过程、alamethicin肽在脂双层膜中的掺入方法，以及各组分的适当浓度及其对忆阻器整体响应的影响。此外，我们还详细说明了生物分子忆阻器的表征流程，包括通过循环伏安法获取并分析忆阻电流-电压关系，以及在阶跃式电压脉冲序列刺激下所表现出的短期可塑性和学习行为。
引言
人们普遍认为，生物突触因其能够以高度适应性的方式学习和处理信息，从而实现了大脑的高效率和巨大并行性。这种协调的功能源于多种高度复杂的分子机制，这些机制驱动着短期和长期的突触可塑性1,2,3,4,5。神经形态计算系统旨在模拟突触功能，达到接近大脑的密度、复杂性和能效水平，这是下一代类脑计算机所必需的6,7,8。然而，使用传统的电子电路元件来复制突触特性几乎是不可能的9，因此需要设计和制造能够适应输入信号并记忆信息历史的新硬件元件9。这类受突触启发的硬件被称为忆阻元件9,10,11（memory elements 的简称），根据 Di Ventra 等人9,11的定义，它们是被动的两端器件，其电阻、电容或电感可随外部刺激而重新配置，并能记住先前的状态11。为了实现接近大脑水平的能量消耗，这些元件应采用与突触可塑性相似的材料和机制12。
迄今为止，双端口忆阻器13,14,15主要采用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术构建，其特点是开关电压高、噪声大。由于功耗高、集成密度低，该技术难以实现良好扩展。为克服这些局限性，近年来已开发出多种有机和聚合物忆阻器。然而，这些器件因离子在导电聚合物基质中扩散过程耗时，导致开关动力学显著变慢16,17。因此，基于CMOS和有机材料的忆阻器件模拟突触功能的机制仍高度依赖于现象学描述，仅涵盖少数突触功能，例如脉冲时序依赖可塑性（STDP）18，而忽略了其他在大脑作为高效强大计算系统中起关键作用的重要特性，例如突触前短期可塑性19。
最近，我们引入了一类新型忆阻器件12，其特征是将电压激活肽整合到仿生脂质膜中，模拟生物突触的生物分子组成、膜结构以及由离子通道触发的开关机制20。 本文描述了如何组装这些两端器件并进行电学表征，重点介绍如何评估短期可塑性，以用于在线学习应用12。器件组装基于液滴界面双层膜（DIB）21 方法，该方法近年来被广泛用于研究模型膜的生物物理特性21 和膜结合离子通道22,23,24，并作为构建刺激响应材料的基本单元25,26。我们详细描述了膜的组装与表征过程，适用于对神经形态应用感兴趣但缺乏生物材料或膜生物学经验的研究人员。本方案还包括完整的表征流程说明，鉴于该器件具有动态且可重构的电学特性，表征过程与组装过程同等重要27。本文所述方法及代表性结果为一类新型低成本、低功耗、基于脂质界面及其他生物分子的柔性忆阻元件奠定了基础，有望应用于神经形态计算、自主结构与系统，乃至自适应脑机接口领域。
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方案
1. 一般说明与注意事项
- 选择合适且无破损的玻璃器皿（如烧瓶、烧杯等）及其他实验器具（如刮勺、取样勺等）用于实验。
- 小心操作玻璃器皿，避免损坏；佩戴乳胶或丁腈手套，防止手指残留物污染器皿，同时保护皮肤。
- 使用洗涤剂溶液和水，借助软毛刷彻底刷洗所选玻璃器皿和实验器具，直至清洁并无任何残留物。
- 先用自来水充分冲洗，再用去离子水（DI水）冲洗，然后置于晾干架上自然晾干。
- 可选步骤：将清洗后的玻璃器皿和实验器具用异丙醇（IPA，99.5%）冲洗，并置于真空条件下蒸发残留的异丙醇，以确保无任何污染物（约2小时）。从真空腔中取出后，置于洁净环境中。
注意：擦拭玻璃器皿和实验器具时应使用无尘擦拭纸。材料制备和样品储存时，请购买并使用无菌的小型玻璃瓶和安全锁扣管。有关玻璃器皿清洗及其他实验室标准操作程序的更多细节，请参阅 JoVE 科学教育数据库28。
2. 水相缓冲溶液的制备
- 佩戴乳胶或丁腈手套，选择一个合适且洁净的玻璃容器，用于配制 50 mL 水相缓冲液（500 mM 氯化钠（KCl）、10 mM 3-(N-吗啉代)丙磺酸（MOPS），pH 7.0）。
- 使用数字高精度天平和洁净的药匙，将 1.86378 g KCl 称量至洁净的称量纸上，然后加入玻璃容器中。
注意：KCl 和 MOPS 的用量应根据所需体积和目标终浓度进行相应调整。 - 称取 0.10463 g MOPS 并加入玻璃容器中。随后向容器中加入 50 mL 去离子水，充分涡旋振荡，直至 KCl 和 MOPS 完全溶解。
- 将缓冲液于室温下储存，并在需要时使用。
注意：虽然缓冲液可在较长时间内储存，但建议使用新鲜配制的缓冲液以获得更佳且更一致的实验结果。
3. 脂质体的制备
注意：步骤 3.1 仅在磷脂以冻干粉末形式获得时适用；因此，若磷脂是以氯仿溶液形式购买，则可跳过此步骤。
- 在5 mL无菌玻璃小瓶中，将5 mg的1,2-二植烷酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱（DPhPC）或脑总脂质提取物（BTLE）脂质溶解于1 mL氯仿中。
- 在轻轻旋转的同时，用干燥氮气缓慢吹扫，蒸发氯仿，直至小瓶底部形成一层脂质膜。
- 将含有脂质膜的小瓶置于真空环境中10–12小时，以彻底去除残留的氯仿。
- 从真空环境中取出小瓶，加入10 mL步骤2中配制的水相缓冲液，重新水合脂质膜，使最终脂质浓度达到2 mg/mL。
- 将脂质悬浮液在-20 °C冷冻并完全解冻六次，以促进多层脂质体的形成。
注意：让混合物在室温下自然解冻，切勿使用加热环境。 - 使用市售的脂质体挤出器，将脂质悬浮液通过孔径为0.1 μm的核孔膜连续挤出11次，以获得直径约为100 nm的单层脂质体，适用于形成良好的脂单层。将脂质体悬浮液储存于4 °C，并在制备后1周内使用。为简便起见，将所得脂质体溶液记为“A”。
注意：在挤出BTLE脂质体时，建议将挤出器预热至45–50 °C，高于BTLE脂质的相变温度（约37 °C）23,29，以利于挤出操作。水合后的BTLE脂质体悬浮液也可直接制备（替代冻融和挤出步骤），方法是将密封的小瓶置于55 °C的水浴超声仪中处理约15分钟。
4. 阿拉霉素肽的重组
注意：本实验步骤描述了将阿拉丁菌素（alamethicin）重组至脂质体中的过程，终浓度为 1 μM。该浓度足以诱导产生与先前发表研究中相似的纳安（nA）级电流12。提高肽段浓度将降低开关阈值，并增强施加电压所诱导电流的幅值29。
- 将短杆菌肽（alamethicin）肽溶于乙醇中，终浓度为 2.5 mg/mL，短暂涡旋混匀，将储备液于 -20 °C 冰箱中保存。 °C）。
注意：Alamethicin 肽通常以粉末形式购买。 - 在1.5 mL安全锁管中，将99 μL溶液“A”与1 μL的阿拉丁菌素储备液混合，使脂质体悬浮液中阿拉丁菌素的终浓度为13 μM。 涡旋混合均匀。将所得的肽-脂质体溶液记为“B”。
- 将117 μL溶液“A”与10 μL溶液B混合，使终浓度为1 μM的短杆菌肽（alamethicin），然后涡旋充分混匀。将所得溶液记为“C”。
- 储存溶液 “B” 和 “C” 4 ℃时 °C，按需使用。
5. 琼脂糖凝胶的制备
- 使用数字高精度天平和洁净的药匙，将 0.5 g 琼脂糖粉末加入一张洁净的称量纸上。
- 将称量好的琼脂糖转移至一个 100 mL 洁净玻璃烧杯中，并向琼脂糖中加入 50 mL 去离子水。
注意：这将得到 1%（质量/体积）的琼脂糖凝胶溶液。 - 将一个洁净的搅拌子放入玻璃烧杯中，并将烧杯置于搅拌加热板上。
- 在搅拌的同时，将混合物加热至沸腾，直至琼脂糖完全溶解。
- 从加热板上取下烧杯，使混合物冷却至室温。于 4 °C 保存，按需使用。
- 再次使用前，通过加热板或微波炉加热使琼脂糖重新熔化。
6. 油储层的制备
注意：下文所述的操作流程仅为油藏制备的多种方法之一。建议读者根据现有材料、加工能力及具体需求，自行设计并制备油藏装置。
- 使用带锯从一块较大的 12 mm 厚的亚克力板上切割出一个 12 × 12 × 12 mm 的亚克力立方体。
- 在亚克力管上铣一个直径为 12 mm、深度为 8–12 mm 的孔（图 1a）。
7. 电极的制备
- 使用剪刀剪取两段（75 mm）银丝（直径125 μm）。
- 使用明火打火机将每根银丝的一端熔化，形成小球状（直径约250 μm）。
- 将球状端浸入漂白剂中1–2小时，以形成氯化银（Ag/AgCl）涂层。深灰色表明Ag/AgCl涂层已形成（图2a）。
- 将两根银丝从漂白剂中取出，用去离子水彻底冲洗，并放置在干净无绒的擦拭纸上备用。
- 将球状端浸入熔化的琼脂糖凝胶中，形成一层薄薄的涂层。该凝胶涂层有助于在油相中将水相液滴固定在银丝上。
- 使用玻璃切割器将一根10 cm长、外径/内径为1/0.58 mm的硼硅酸盐玻璃毛细管切成两段，每段5 cm。
- 将其中一根玻璃毛细管插入电极夹持器中（图2b，c），然后将一根Ag/AgCl银丝插入该玻璃毛细管中（图2d）。将另一根Ag/AgCl银丝插入第二根玻璃毛细管中。
- 将第二根玻璃毛细管安装到玻璃微移液管夹持器上（图2e，f）。
8. 实验设置
- 将一块厚度为 1 mm、尺寸为 25 × 75 mm 的玻璃载玻片放置在倒置显微镜的载物台上（图 1a）。
- 在玻璃载玻片中心滴加数滴十六烷油，然后将油储液池直接放置在载玻片的油滴上。
注意：在玻璃载玻片与油储液池之间添加油的目的是匹配基底的折射率，以获得更清晰、更锐利的图像。 - 用十六烷油完全充满油储液池。确保储液池位于物镜正上方。
注意：也可使用其他疏水性油。 - 将电极夹持器连接至电流放大器的前置放大头级。前置放大头级必须安装在微操纵器上（图 1a），以缩短电极长度并减少电噪声。
- 将带有第二根 Ag/AgCl 电极丝的玻璃微电极夹持器安装至另一个微操纵器上（图 1a）。
- 利用操纵器调节电极位置，使 Ag/AgCl 电极丝的琼脂糖包被尖端完全浸入油储液池中，并处于相近的垂直平面内。
- 对齐两个电极，并使其间隔数毫米（图 1a、b）。
注意：在加入液滴后（见步骤 13），必须将电极完全下移，直至电极尖端接触油储液池底部。此步骤可防止电极振荡，从而减少测量电流中的不必要波动。
9. 正确接地以减少电噪声
- 通过将螺丝拧入放置显微镜的防震台来创建一个接地总线（图3a）。
注意：必须使用防震台以最大限度减少来自周围环境的振动，这些振动可能导致测量电流出现不希望的波动。 - 使用导线将螺丝连接至大地接地（图3a），然后将显微镜载物台连接至接地总线。
- 在实验装置上方放置法拉第笼以减少噪声，并将其电气连接至接地总线（图3b）。
注意：应始终避免不必要的接地回路，因为它们可能导致测量噪声水平升高。
10. 反馈控制加热
- 加工一个铝制加热外壳，使油浴储液池能够紧密地嵌入其中29。
- 确保外壳底部留有开口，以便通过倒置显微镜观察样品。
- 将一块30 × 30 mm的电阻式聚酰亚胺柔性加热元件置于铝制外壳下方。
- 在加热元件下方放置一片绝缘的聚二甲基硅氧烷（PDMS）晶圆，以减少向下的热量散失，并保护显微镜载物台。
- 将热电偶插入油相中。确认热电偶未接触任一Ag/AgCl导线后，将热电偶导线连接至热电偶数据采集板，并使用自定义编程软件记录温度。
注意：编写一个启停式（On-Off）或比例积分（PI）反馈温度控制系统，以实现对油温的加热与被动冷却，使其达到设定目标值。相关代码可根据读者请求提供。
11. 软件与设备的设置
- 通过开启计算机、显微镜、函数发生器、电流放大器和低噪声数据采集系统，准备数据采集软件。
注意：虽然可使用任何电流检测设备，但以下说明专门针对材料表中列出的设备。希望自行构建电流放大器的研究人员可参考 Shlyonsky 等人30。 - 在膜片钳电流放大器的前面板上，将前面板显示和源-测量模式旋钮分别设置为 VHOLD/IHOLD 和 V-CLAMP。
- 在前面板上，将低通 贝塞尔滤波器 设置为 1 kHz，输出增益 设置为 0.5。
注意：选择较低的输出增益可记录更大振幅的电流，而提高增益则以牺牲测量范围为代价来降低测量噪声。 - 将配置设置为 WHOLE CELL β = 1。该值之后可切换为 0.1，以便记录更大振幅的电流。
- 将所有其他控制旋钮设置为零或中性位置。
- 通过双击桌面上的图标来初始化软件。
- 点击 配置 | 数字转换器 以打开数字转换器对话框，然后点击更改按钮。
- 在更改数字转换器对话框中，从数字转换器类型列表中选择合适的数字转换器。
- 点击扫描按钮以检测数字转换器。
- 点击确定退出更改数字转换器对话框，然后点击确定退出数字转换器对话框。
- 点击 配置 | 实验台。
- 在实验台的输入信号选项卡中，将比例因子设置为 0.0005 V/pA。
注意：如果增益或 β 值发生改变，该值必须相应更新。
12. 移液器偏移
注意：以下所述步骤仅适用于材料表中提到的当前放大器。
- 使用微量移液器，在油相环境下将 200 nL 的水性脂质溶液“A”滴加到每根 Ag/AgCl 电极丝的末端。
- 使液滴相互接触，并按下放大器前面板上的 ZAP 按钮，使液滴融合为跨越两个电极的单一液滴体积。此时应产生短路响应。
- 将源-测量模式旋钮设置为 TRACK。
- 将前面板显示旋钮调至 VTRACK。
- 调节 PIPETTER OFFSET 旋钮（顺时针或逆时针），直至仪表读数稳定在 0 mV。
- 将源-测量模式旋钮恢复至 V-CLAMP，并将前面板显示旋钮调回 VHOLD/IHOLD。
13. 脂质双分子层的形成
- 通过将电极垂直移出油相，释放先前已沉积的液滴。这会导致液滴从电极上落入油中。随后重新将电极浸入油相并定位。
- 使用微量移液器在每根导线上沉积 200 nL 的脂质溶液“A”。
- 静置 3–5 分钟，使脂质单分子层在每个水/油界面自发组装。
注意：随着脂质单分子层的形成，水/脂质/油界面的表面张力降低，如果周围油相密度足够低，可能导致液滴下垂21。 - 降低电极（及液滴）的位置，直至两个电极的末端刚好接触油槽底部（图 1b），然后水平移动电极，使两个液滴相互接触。
注意：脂质双分子层会通过排除接触液滴之间的过量油相而自发变薄。该过程通常在 1 分钟内完成。
14. 生物分子忆阻器的电学表征
- 脂双层形成
- 为了记录脂双层的形成过程（表现为液滴间电容的增加），使用函数发生器施加一个10 Hz、10 mV的三角波电压，该发生器连接至膜片钳放大器的外部输入端（图4）。
注意：由于脂膜具有电容特性，所产生的电流响应应为方波形（图4）。在脂双层形成过程中（步骤11.6），研究人员应观察到峰-峰值电流幅度的增长，同时观察到连接液滴之间的视觉变化（图4）。
- 为了记录脂双层的形成过程（表现为液滴间电容的增加），使用函数发生器施加一个10 Hz、10 mV的三角波电压，该发生器连接至膜片钳放大器的外部输入端（图4）。
- 电流-电压测量
注意：生物分子忆阻器可被建模为一个电阻与一个电容的并联12,21。因此，器件的电流响应可能包含电阻性和电容性成分，具体取决于所施加电压的频率。为了研究器件的忆阻特性，并获得捏滞回线型的电流-电压关系12，可能需要从总电流中扣除电容性电流。以下实验流程描述了该操作步骤。- 使用函数发生器，对由溶液“A”构成且不含阿拉丁霉素的脂膜施加电压波形（三角波或正弦波）。
- 记录多个频率下的诱导电流响应。
注意：在频率低于10 mHz时，电容性电流最小化。 - 通过在计算机上测量脂膜直径，或记录由10 Hz、10 mV三角波引起的峰-峰值电流幅度，来确定界面脂双层的尺寸。电流幅度与膜电容成正比，而膜电容又与膜面积成正比。
- 移除不含阿拉丁霉素的液滴。
- 使用溶液“C”添加新的水相液滴，并形成脂双层。
- 使用显微操作器调节液滴间的接触，使新形成的脂双层具有与先前相近的面积（直径或方波电流幅度）。
- 重复步骤14.2.1和14.2.2。
- 将步骤14.2.7记录的电流减去步骤14.2.2记录的电流。
- 针对每个频率和波形，绘制诱导电流与施加电压的关系曲线，以获得“捏滞回线”型忆阻响应。
- 脉冲实验
- 使用自定义编程软件和模拟电压源，生成具有特定高/低幅度、开启时间和关闭时间的电压脉冲。
注意：若可使用商用函数发生器生成电压脉冲，则无需此步骤。 - 记录施加脉冲后的电流响应。
- 由于忆阻器具有电容特性，将记录到电容性尖峰。通过应用具有适当通带的低通滤波器去除这些尖峰。
- 使用自定义编程软件和模拟电压源，生成具有特定高/低幅度、开启时间和关闭时间的电压脉冲。
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结果
图1展示了用于组装和表征生物分子忆阻器的实验装置。如图1b所示，将电极的自由端降低至油储液池底部，有助于最大限度地减少电极和液滴的振动，从而避免测量电流和双层膜面积的变化，特别是在加热油时可能引发油中对流的情况下尤为重要。图2展示了组装银/氯化银（Ag/AgCl）导线、玻璃毛细管以及电极和微移液管支架的过程及结果。整个装置置于一个正确接地的法拉第笼内（图3），以最大限度减少电磁干扰。
本研究中形成稳定且具有绝缘性的脂双层至关重要。在本实验方案中，脂单层在浸入油相中的水相液滴的油/水界面处自组装。当液滴相互接触时，多余的油被排出，相对的脂单层变薄，形成厚度为5 nm的脂双层。双层膜电生理学中最常用的技术是电压钳制技术，即控制跨膜电压并测量所诱导的电流。图4a展示了在脂双层形成过程中，由10...
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讨论
本文介绍了一种基于油相中两个水滴之间形成的、掺杂离子通道的合成生物膜来组装和表征生物分子忆阻器的实验方案。这种软物质双端器件的设计与研究旨在：1）克服与固态技术相关的限制，例如高噪声、高能耗和高开关电压；2）更精确地模拟生物突触的组成、结构及开关机制；3）探索固态器件所不具备的生物突触可塑性机制与特性。
液滴界面双层技术21是当前技术的基本构建单元12，作为一种简单且模块化的膜组装方法，已被广泛用于研究膜生物物理学21、蛋白质22、离子通道29以及其他生物分子32。该技术在精确控制和研究模型膜方面具有独特优势，并可作为刺激响应性和自主性材料的基本单元26。目前已发展出多种组装液滴界面双层的方法，其中包括悬挂液滴法
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披露
本手稿由 UT-Battelle, LLC 在与美国能源部签订的 DE-AC0500OR22725 号合同下编写。美国政府保留相关权利，出版方在同意发表该文章的同时承认：美国政府保有对本手稿已发表形式进行出版或复制，或允许他人出于美国政府目的进行此类行为的非独占、免付费、不可撤销且全球范围内的许可权。
致谢
本研究得到了美国国家科学基金会（NSF ECCS-1631472）的资助。G.J.T.、C.D.S.、A.B. 和 C.P.C. 的研究工作部分由橡树岭国家实验室的实验室主导研究与开发项目资助，该实验室由 UT-Battelle, LLC 为美国能源部管理。本研究的部分工作在纳米相材料科学中心完成，该中心是美国能源部科学办公室下属的用户设施。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,2-二植烷酰-sn-甘油-3-磷酰胆碱（DPhPC） | Avanti Polar Lipids | 850356P/850356C | 以冻干粉末（P）或氯仿溶液（C）形式购买 |
| 琼脂糖 | 西格玛-奥德里奇 | A9539 | |
| 琼脂糖（0.5 g 琼脂糖片剂） | Benchmark | A2501 | 可使用粉末或片剂形式 |
| 短杆菌肽A（Alamethicin） | AG Scientific | A-1286 | |
| 分析天平 | 梅特勒-托利多 | ME204TE/00 | |
| Axopatch 200B 放大器 | 分子器件公司 | - | |
| BK Precision 4017B 10 MHz DDS 扫频/函数发生器 | Digi-Key | BK4017B-ND | |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管 | 世界精密仪器公司 | 1B100F-4 | |
| 猪脑总脂质提取物 | Avanti Polar Lipids | 131101 | |
| DigiData 1440A 系统 | 分子器件公司 | - | |
| 带支架/加热块的挤出器套装 | Avanti Polar Lipids | 610000 | 包含微型挤出器、2个注射器、100张PC膜、100个滤膜支撑环和1个支架/加热块 |
| 冷冻柜（-20 °C） | VWR国际公司 | SCUCBI0420AD | |
| 玻璃器皿 | VWR国际公司 | - | |
| 十六烷，99% | 西格玛-奥德里奇 | 544-76-3 | |
| 异丙醇 | VWR国际公司 | BDH1133-4LP | |
| 微电极夹持器 | 世界精密仪器公司 | MEH1S | |
| MOPS | 西格玛-奥德里奇 | M1254 | |
| 氮气（N2）气体 | Airgas | UN1066 | |
| Parafilm M 通用实验室膜 | Parafilm | PM999 | |
| 无粉软质丁腈检查手套 | VWR国际公司 | CA89-38-272 | |
| 预清洁显微镜载玻片 | 费希尔科技公司 | 22-267-013 | |
| 冰箱（4 °C） | VWR国际公司 | SCUCFS-0504G | |
| 银丝 | GoodFellow | 147-346-94 | 可根据应用选择不同直径 |
| 氯化钠（KCl） | 西格玛-奥德里奇 | P3911 | |
| 搅拌加热板 | 赛默飞世尔科技 | SP131325 | |
| VWR 轻型组织擦拭纸 | VWR国际公司 | 82003-820 | |
| VWR Scientific 50D 超声波清洗机 | VWR国际公司 | 13089 |
参考文献
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