מאמר שיטה

הרכבה ואפיון של Memristors למערכות ביולוגיות המורכב ממברנות השומנים מסטול-תעלת יונים

DOI:

10.3791/58998

⸱

9 במרץ 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

במאמר זה

סיכום

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

רכים, צריכת חשמל נמוכה, memristors למערכות ביולוגיות ממנפים קומפוזיציה דומה המבנה, החלפת מנגנונים של ביו-הסינפסות. המוצג כאן פרוטוקול כדי להרכיב או לאפיין למערכות ביולוגיות memristors מתקבל בידוד השומנים bilayers בין טיפות מים בשמן. שילוב של פפטידים מופעל מתח alamethicin תוצאות מוליכות יונית memristive על פני הקרום.

תקציר

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

היכולת לשחזר פונקציונליות סינפטית ברכיבי המעגל סינתטי חיוני עבור מטריצת מחשוב מערכות מבקש לחקות את הכוחות קוגניטיבי של המוח עם יעילות דומה וצפיפות. עד כה, המבוססים על צורן טרנזיסטורים שלוש-מסוף, memristors שני-מסוף היה בשימוש נרחב במטריצת מעגלים, בעיקר בזכות יכולתם לאתר שיתוף עיבוד מידע ובזיכרון. אך התקנים אלה לא יכול להשיג את מסופר והמורכבות של המוח כי הם תאבי כוח, אינן מצליחות לחקות מפתח פונקציות סינפטית, ואף סובלים רעש גבוה גבוה מיתוג מתח. כדי להתגבר על מגבלות אלה, יש שפותחה ואנו מאופיין של ממריסטור למערכות ביולוגיות המחקה את הרכב, מבנה, מיתוג מאפייני הסינפסות ביולוגי. כאן, אנו מתארים את תהליך הרכבת, אפיון memristors למערכות ביולוגיות המורכב ננומטר בעובי 5 ליפידית בין טיפות מים functionalized-השומנים בשמן מסטול עם פפטידים מופעל מתח alamethicin. בזמן דומה מכלול הפרוטוקולים שימשו כדי לחקור את מאפייני ביופיזיקלי של השומנים הנתמכות על-ידי droplet ממברנות ומתקני תעלות יונים ממברנה מכורך, מאמר זה מתמקד המהותיים של השיטה bilayer ממשק droplet חיוני להשגת ביצועים ממריסטור עקבית. באופן ספציפי, אנו מתארים את תהליך ההכנה של ליפוזום, שילוב של פפטידים alamethicin השומנים bilayer ממברנות, את ריכוזי המתאים לכל המכוננת, כמו גם ההשפעה שלהם על התגובה הכולל של memristors. אנחנו גם פירוט תהליך האפיון של memristors למערכות ביולוגיות, כולל מדידה וניתוח של מערכות יחסים memristive זרם-מתח שהושג באמצעות וולטמטריה ציקלית, כמו גם לטווח הקצר פלסטיות ולמידה בתגובה step-wise מתח דופק רכבות.

מבוא

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

זה מוכר ברבים הסינפסות ביולוגי אחראים על יעילות גבוהה של ההקבלה העצום של המוח עקב יכולתם ללמוד ולעבד מידע בדרכים מאוד גמישים. פונקציונליות זו מתואמת מגיח מרובים, המנגנונים המולקולריים מורכב באותו הכונן שני פלסטיות סינפטית לטווח קצר ולטווח ארוך1,2,3,4,5. מערכות מיחשוב מטריצת לכוון כדי לחקות את פונקציות סינפטית ברמות מתקרב את צפיפות, מורכבות ויעילות אנרגיה של המוח, אשר נדרשים עבור הדור הבא של המחשבים, כמו המוח6,7 , 8. שכפול תכונות סינפטית באמצעות אלמנטים מסורתיים מעגלים אלקטרוניים זאת, כמעט בלתי אפשרי9, במקום לדרוש את עיצוב, ייצור רכיבי חומרה חדשים יכולים להסתגל אותות נכנסות וזכור מידע ההיסטוריה9. סוגים אלה של חומרה בהשראה סינפסה ידועים כמו mem-אלמנטים9,10,11 (זיכרון קצר עבור רכיבים), אשר, על פי Di Ventra et al.9,11, הם פסיביים, שני-מסוף התקנים אשר ההתנגדות, קיבול או השראות יכול לקבוע מחדש את תצורת בתגובה לגירויים חיצוניים, אשר זוכר הברית מוקדמת11. כדי להשיג רמות צריכת האנרגיה מתקרב אלו במוח, רכיבים אלה צריך להעסיק מנגנוני הפלסטיות הסינפטית12וחומרים דומים.

עד כה, שני-טרמינל memristors13,14,15 בעיקר נבנו בטכנולוגיית משלימים מתכת-מוליך-למחצה (CMOS), המאופיינת על ידי מיתוג גבוהה המתחים ורעש גבוה. טכנולוגיה זו אינה סקיילבילית טוב עקב צריכת חשמל גבוהה וצפיפות נמוכה. כדי לטפל מגבלות אלה, memristors פולימריים ואורגניים רבים נבנו לאחרונה. עם זאת, התקנים אלה התערוכה dynamics מיתוג לאט יותר באופן משמעותי בשל יון גוזלת זמן דיפוזיה דרך16,מטריקס17פולימר מוליך. כתוצאה מכך, המנגנון שבאמצעותו שני מכשירים מבוססי ה-CMOS ואורגניים memristive לחקות בהשראה סינפסה פונקציות הם מאוד הפנומנולוגי, המקיף רק כמה סינפטית פונקציות כמו ספייק בתזמון התלוי פלסטיות (STDP) 18, בזמן המשקיפה על המפתח השני כולל את זה גם לשחק תפקידים חיוניים בקבלת המוח מחשב חזק ויעיל, כגון פלסטיות סינפטית מראש, לטווח קצר19.

לאחרונה השקנו מחלקה חדשה של memristive התקנים12 ובו מופעל מתח פפטידים שולבו ביונים השומנים ממברנות המחקה את הרכב למערכות ביולוגיות, מבנה הממברנה, ואת יון ערוץ המופעלות החלפת מנגנונים ביולוגיים הסינפסות20.  כאן, אנו נתאר כיצד להרכיב ולחקור חשמלית התקנים אלה שני-מסוף, עם התמקדות מיוחדת כיצד להעריך פלסטיות לטווח קצר עבור יישום מקוון למידה יישומים12. התקן הרכבה מבוסס על droplet ממשק bilayer (דיב)21 השיטה, אשר שימש בהרחבה בשנים האחרונות ללמוד את ביופיזיקה של ממברנות דגם21 וממברנה מכורך יון ערוצי22,23, 24, וכן אבני בניין עבור הפיתוח של חומרי מגיב לגירויים25,26. אנו לתאר תהליך הרכבה והחקירה של קרום בפירוט למעוניינים מטריצת יישומים אך מוגבלת ניסיון biomaterials או ביולוגיה ממברנה. הפרוטוקול כוללת גם תיאור מלא של תהליך האפיון, אשר חשוב כמו תהליך ההרכבה, בהתחשב המאפיינים חשמל דינמי ו reconfigurable של המכשיר27. תוצאות ההליך ונציג המתוארים כאן הם היסודות עבור מחלקה חדשה בעלות נמוכה, צריכת חשמל נמוכה, רך mem-אלמנטים מבוסס על השומנים ממשקים אחרים מולקולות עבור יישומים מטריצת מחשוב, אוטונומי מבנים ומערכות, ואפילו ממשקי מחשב-מוח גמישים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. כללי הוראות הזהירות

  1. בחר מתאימים, ניזוק מדידה/ערבוב כלי זכוכית (מבחנות, ספלים, וכו ') ואת אחרים מכשור מעבדתי (מלקחיים, כפות וכו ') לשימוש.
  2. להתמודד עם כלי זכוכית בקפידה כדי למנוע נזק, יש ללבוש כפפות latex או nitrile כדי להימנע מזיהום הזכוכית/מכשור מעבדתי עם משקעים מכל קצות האצבעות, כדי להגן על העור שלך.
  3. נקי שבחרת זכוכית/מכשור מעבדתי ביסודיות באמצעות פתרון דטרגנט ומים על ידי שפשוף עם מברשת רכה בקבוק עד נקי, כל שאריות יוסרו.
  4. לשטוף היטב עם מים מהברז ולאחר מכן במים (DI) יונים. המקום מקלב מהאוויר יבש.
  5. אופציונלי: יש לשטוף נקי כלי זכוכית/מכשור מעבדתי עם איזופרופיל (IPA, 99.5%) למקם תחת ואקום מתמוססות כל שיורית IPA כדי להבטיח שהן ללא כל מזהמים (~ 2 h). להסיר תא ואקום ולמקם בסביבה נקייה.
    הערה: השתמש נטולת מגבוני ניגוב כלי זכוכית, מכשור מעבדתי. לרכוש ולהשתמש צלוחיות זכוכית סטריליים קטן וצינורות מנעול כספת עבור אחסון חומרי הכנה ולדגום. לפרטים נוספים על כלי זכוכית ניקוי, מעבדה נהלי אחרים, עיין יופיטר מדעי החינוך מסד28.

2. הכנת בופר מימית

  1. לובש כפפות latex או nitrile, בחר את מיכל הזכוכית המתאים ונקי להכין 50 מ של מאגר מימית (500 מ מ נתרן כלורי (אשלגן כלורי), 10 מ מ 3-(N-מורפולינו) propanesulfonic חומצה (MOPS), pH 7.0).
  2. שימוש דיגיטלי, מאזן מסה ברמת דיוק גבוהה וממרית נקי, לוותר על g 1.86378 של אשלגן כלורי על גבי נייר במשקל נקיה ולאחר מכן להוסיף מיכל הזכוכית.
    הערה: הכמויות של אשלגן כלורי, המגבים צריכים להשתנות בהתאם לנפח הרצוי והרצוי ריכוזים הסופי.
  3. שוקל 0.10463 גר' MOPS ולהוסיף מיכל הזכוכית. לאחר מכן, להוסיף 50 מ של מים DI מיכל הזכוכית ואת מערבולת ביסודיות עד אשלגן כלורי, המגבים הם התפרקה לחלוטין.
  4. לאחסן את בופר בטמפרטורת החדר ולהשתמש בעת הצורך.
    הערה: בזמן מאגר פתרונות ניתן לאחסן במשך פרקי זמן ארוכים יחסית, מומלץ להשתמש הטרי מאגר פתרונות עבור תוצאות עקבית יותר וטובים יותר.

3. הכנת ליפוזומים

הערה: שלב 3.1 חלה רק אם פוספוליפידים נרכשים כמו אבקות lyophilized, לכן, ייתכן ניתן לדלג אם הם פוספוליפידים הם נרכשו כלורופורם.

  1. להמיס 5 מ"ג של 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) או שומנים המוח סך השומנים תמציות (ביטל) ב 1 מ"ל של כלורופורם, בקבוקון זכוכית סטריליים מ.
  2. תוך כדי, בעדינות מתערבל להתנדף ההרדמה תחת זרם עדין של חנקן יבש עד סרט השומנים נשאר בתחתית המבחנה.
  3. מניחים את הצנצנת המכילה את הסרט השומנים תחת ואקום במשך 10-12 שעות לאפשר הסרה מלאה של כלורופורם שיורית.
  4. הסר את המבחנה מן החדר ואקום, נוזלים הסרט שומנים בדם על-ידי הוספת 10 מ"ל של התמיסה המימית מאגר מוכן בשלב 2 כדי להשיג ריכוז השומנים הסופי של 2 מ"ג/מ"ל.
  5. להקפיא (20 °C), לגמרי להפשיר השומנים ההשעיה שש פעמים כדי להקל על ההרכבה ליפוזום multilamellar.
    הערה: שהתערובת להפשיר בטמפרטורת החדר, אף פעם לא בסביבה מחוממת.
  6. באמצעות מכבש זמינים מסחרית של, הבלטת הפתרון ליפוזום על-ידי אילוץ ההשעיה השומנים מלאה דרך 0.1 μm נקבוביות בקוטר נחרטו המסלול קרום. הבלטת ההשעיה 11 פעמים ברצף מיידית כדי לקבל unilamellar ליפוזומים עם קטרים של c.a. 100 ננומטר לצורך היווצרות ליפיד מתאים חד שכבתי. לאחסן את המתלים ליפוזום ב 4 °C ולהשתמש בתוך שבוע אחד של הכנה. פשטות, עיין הפתרון שיתקבל ליפוזום כמו "A".
    הערה: עבור ההבלטה של ליפוזומים ביטל, החוקר הוא הטמפרטורה מומלץ לחמם. המתקן ל 45-50 °C, גבוה יותר מעבר פאזה של ליפידים ביטל (~ 37 °C)23,29, כדי לאפשר הבלטה קלה יותר. להתייבש ליפוזום ביטל המתלים ניתן גם ישירות להכין (במקום הפשרת ההקפאה ההבלטה) על-ידי הצבת את המבחנה ההשעיה סגורה לתוך ב sonicator אמבטיה-55 °C ~ 15 דקות.

4. שיחזור של פפטידים Alamethicin

הערה: הליך זה מתאר את התהליך של הכינון alamethicin בתוך ליפוזומים כדי ריכוז סופי של 1 μM. ריכוז זו מספיקה לגרום נה ברמת זרמי הדומה אלה שפורסמו בעבר12. הגדלת ריכוז פפטיד להפחית את סף המעבר ולהגדיל את amplitudes של זרמי המושרה על ידי מתח המופעל29.

  1. להמיס alamethicin פפטידים אתנול כדי ריכוז סופי של 2.5 מ"ג/מ"ל, מערבולת בקצרה כדי לערבב טוב, ולאחסן את הפתרון מניות במקפיא (20 °C).
    הערה: Alamethicin פפטידים נרכשים בדרך כלל בצורת אבקה.
  2. בשפופרת מנעול כספת 1.5 mL, מערבבים μL 99 של פתרון "A" עם μL 1 של פתרון מניות alamethicin להשגת ריכוז alamethicin הסופי של 13 μM ליפוזום ההשעיה.  מערבולת לערבב היטב. עיין הפתרון שיתקבל פפטיד-ליפוזום כמו "B".
  3. מיקס 117 μL של פתרון "A" עם 10 μL של פתרון B כדי להשיג ריכוז alamethicin הסופי של 1 מ מ, ולאחר מכן מערבולת לערבב היטב. עיין הפתרון שיתקבל כמו "C".
  4. לאחסן את הפתרונות "B" , "" C-4 °C ושימוש כנדרש.

5. הכנת ג'ל Agarose

  1. שימוש דיגיטלי, מאזן מסה ברמת דיוק גבוהה וממרית נקי, להוסיף 0.5 גר' אבקת agarose נייר במשקל נקי.
  2. העברת שקל agarose כדי גביע זכוכית נקי 100-mL ולהוסיף 50 מ של מים DI agarose.
    הערה: זו תניב פתרון ג'ל agarose 1% (wt/כרך).
  3. למקם מגנט מלהיב נקי בתוך כשהספל זכוכית ומניחים את הספל על פלטה חמה מלהיב.
  4. תוך כדי ערבוב, מביאים את התערובת לרתיחה עד agarose התפרקה לחלוטין.
  5. הסר את הספל הכיריים כדי התערובת ומצננים לטמפרטורת החדר. החנות 4 °C, לשימוש בעת הצורך.
  6. לפני השימוש שוב, מחדש ממיסים את agarose על ידי חימום עם פלטה או מיקרוגל.

6. ייצור של המאגר שמן

הערה: ההליך המתואר להלן הוא רק אחד מאתריה המפורסמים של דרכים רבות מאגר הנפט יכול להיות מפוברק. הקורא הוא מוזמנים לעצב, הרכיבו מאגר המבוסס על חומרים זמינים, עיבוד שבבי יכולות, וכן לצרכים הספציפיים.

  1. באמצעות חבל מאד, מסור, לחתוך עם 12 x 12 x 12 קוביות אקריליק מ מ מ 12 מ מ עבה אקריליק גיליון גדול.
  2. מיל חור בקוטר 12 מ"מ עד לעומק של 8-12 מ מ בצינור אקריליק (איור 1 א').

7. הכנת אלקטרודות

  1. באמצעות מספריים, גזור שני חלקים (75 מ מ) של חוטי כסף (125 μm-קוטר).
  2. באמצעות פתח-להבות מצית, ממיסים קצה אחד של חוט כסף כל טופס כדורים כדורית קטנים (כ-250 μm בקוטר).
  3. לטבול את קצות כדור לבן במשך 1-2 h כדי ליצור ציפוי כסף-כלוריד כסף (Ag/AgCl). צבע אפור כהה מציינת כי הציפוי Ag/AgCl הקימה (איור 2 א).
  4. להסיר את שני החוטים אקונומיקה, לשטוף ביסודיות עם מים DI ומניחים בצד על מגבון לנקות נטולת מוך.
  5. לטבול את קצות כדור בתוך agarose מותכת ג'ל ליצירת שכבה דקה. זה ציפוי ג'ל מסייע לעגן את טיפות מים על גבי חוטי החשמל תחת שמן.
  6. שימוש לחיתוך זכוכית, לפצל ארוך 10-ס מ 1/0.58 OD/תעודת מ מ זכוכית בורוסיליקט נימי לתוך שני נימים 5 ס מ.
  7. להכניס אחד הנימים זכוכית מחזיק אלקטרודה (איור 2b, ג) ולאחר מכן להאכיל אחד החוט Ag/AgCl לתוך כוס נימי (איור דו-ממדי). להאכיל את החוט Ag/AgCl אחרים לתוך הכוס השנייה נימי.
  8. לטעון את נימי זכוכית השני כדי בעל micropipette זכוכית (איור 2e, f).

8. הגדרת הניסוי

  1. במקום שקופית זכוכית 1 מ מ 25 x 75 מ מ עבה, על השלב של מיקרוסקופ הפוכה (איור 1 א').
  2. לוותר על כמה טיפות של שמן hexadecane במרכז השקופית מזכוכית ולאחר מכן הצב למיכל הנפט ישירות על גבי השמן על השקופית זכוכית.
    הערה: הוספת שמן בין זכוכית מאגר שקופיות ושמן משמש כדי להתאים את מקדם שבירה של המצע כדי לספק תמונות לחדה וברורה.
  3. לחלוטין למלא למיכל הנפט שמן hexadecane. ודא כי המאגר ממוקם מעל העדשה אובייקטיבי.
    הערה: שמנים הידרופובי אחרים עשוי לשמש גם כן.
  4. להתחבר המחזיק אלקטרודה headstage של מגבר הנוכחי. Headstage חייב להיות מותקן על micromanipulator (איור 1 א') כדי למזער את אורך אלקטרודה ורעשים חשמליים.
  5. הר בעל micropipette זכוכית עם הכבל Ag/AgCl השני אל אחר micromanipulator (איור 1 א').
  6. באמצעות המניפולטורים, מיקום האלקטרודות כזה agarose מצופה קצות החוטים Ag/AgCl מלא טובע לתוך המאגר שמן מטוס אנכי דומה.
  7. יישר את שתי אלקטרודות ולהפרידם באמצעות כמה מילימטרים (איור 1 א', ב').
    הערה: לאחר הוספת את טיפות (המתוארים שלב13), החוטים יש להביא כל הדרך למטה עד קצות אלקטרודה נוגעות בתחתית למיכל הנפט. שלב זה יבטיח כי החוטים לא נעים, לכן, יצמצם מיותרים תנודות הזרם נמדד.

9. נאות ההארקה כדי להפחית את הרעש חשמל

  1. ליצור קו אוטובוס הקרקע על ידי שרשור בורג לתוך הטבלה אנטי רטט שעליו מונחת המיקרוסקופ (איור 3 א).
    הערה: באמצעות טבלת אנטי רטט נדרש כדי למזער את התנודות של שמסביב, אשר עלול לגרום רצויה תנודות זרם שנמדד.
  2. באמצעות חוט מוליך, להתחבר את הבורג אנחת האדמה (איור 3 א) ולאחר מכן להתחבר השלב מיקרוסקופ הקרקע אוטובוס.
  3. הצב כלוב פאראדיי מעל הגדרת הניסוי כדי להפחית את הרעש ולאחר מכן חבר אותו חשמלית אוטובוס הקרקע (איור 3b).
    הערה: מומלץ תמיד כדי למנוע לולאות הקרקע מיותרים, כפי שהן עשויות להוביל לעליית רמת הרעש מדידה.

10. משוב מבוקר חימום

  1. מכונת אלומיניום חימום shell שבו למיכל הנפט משתלבים בקלות לכף29.
  2. הקפד להשאיר איזשהו פתח בתחתית של המעטפת כדי שניתן יהיה לצפות דרך המעטפת באמצעות המיקרוסקופ הפוכה.
  3. במקום אלמנט חימום גמיש פוליאימיד resistive 30 x 30 מ מ מתחת הקליפה אלומיניום.
  4. המקום של וופל polydimethylsiloxane (PDMS) בידוד מתחת החימום לצמצם את איבוד החום בכיוון מטה ולהגן על הבמה מיקרוסקופ.
  5. הכנס של צמד תרמי לשלב שמן. לאחר מוודא את צמד תרמי אינו נוגע גם חוט Ag/AgCl, לחבר את החוטים צמד תרמי צמד תרמי נתונים רכישת לוח וטמפרטורה הרשומה באמצעות תוכנות תכנות מותאמות אישית.
    הערה: לכתוב On-Off, יחסי נפרד (PI) משוב טמפרטורת פקד כדי לאפשר חימום וקירור פסיבי של הטמפרטורה שמן לערך הרצוי. קודי יכול להינתן לקוראים על פי בקשה.

11. הגדרת תוכנה וציוד

  1. הכן את התוכנה רכישת נתונים על ידי מופעלים מחשבים, מיקרוסקופ, מחולל אותות, מגבר הנוכחי ומערכות רכישת נתוני רעש נמוכה.
    הערה: בעוד כל ציוד חישה הנוכחי עשוי לשמש, ההוראות שלהלן הם במיוחד עבור האחד המופיעים בטבלה של חומרים. חוקרים המעוניינים לבנות משלהם במגבר הנוכחי יכול להתייחס Shlyonsky et al.30.
  2. בלוח הקדמי של המלחציים תיקון מגבר הנוכחי, הגדר את הצג בלוח הקדמי, מקור מדידה מצב מחייג VHOLD/IHOLD, V-קלאמפ, בהתאמה.
  3. בלוח הקדמי, הגדר את Lowpass מסנן בסל קילוהרץ 1 ולהשיג פלט 0.5.
    הערה: בחירת רווח פלט נמוך מאפשר הקלטה גדולים יותר גבוה amplitudes הנוכחי, בעוד הגדלת טווח מדידה קורבנות רווח עבור להפחית את הרעש מדידה.
  4. הגדר את תצורת כל התא β = 1. ערך זה עשויים להיות החלפת מאוחר יותר כדי 0.1 כדי לאפשר הקלטת הזרמים משרעת גדולה יותר.
  5. הגדר כל שאר מחייג שליטה לאפס או בעמדה ניטרלית.
  6. אתחל את התוכנה על ידי לחיצה כפולה על הסמל של שולחן העבודה.
  7. לחץ על קביעת תצורה של | Digitizer כדי לפתוח את תיבת הדו-שיח התקן הדיגיטציה ולאחר מכן לחץ על ' שינוי '.
  8. בתיבת הדו-שיח שינוי Digitizer , בחר התקן הדיגיטציה המתאים מהרשימה סוג התקן הדיגיטציה .
  9. לחץ על הלחצן סריקה כדי לזהות התקן הדיגיטציה.
  10. לחץ על אישור כדי לצאת בתיבת הדו-שיח שינוי Digitizer ולאחר מכן לחץ על אישור כדי לצאת בתיבת הדו-שיח התקן הדיגיטציה .
  11. לחץ על מיזוגאיור | ספסל המעבדה.
  12. בכרטיסיה קלט אותות המעבדה ספסל, הגדר את גורם קנה המידה 0.0005 V/אבא
    הערה: ערך זה יש לעדכן אם הערכים רווח או β משתנים.

12. פיפטה היסט

הערה: ההליך המתואר להלן חל רק על מגבר הנוכחי המוזכרים בטבלה של חומרים.

  1. שימוש של micropipette, להפקיד 200 nL של הפתרון השומנים מימית "A" על גבי הקצוות של כל חוט Ag/AgCl תחת שמן.
  2. להביא את טיפות לתוך קשר ולחץ על הלחצן ' זאפ ' בלוח הקדמי של המגבר מתמזגים את טיפות לאמצעי אחסון אחד המתפרסות על-פני שתי אלקטרודות. זה אמור לגרום לגרום לקצר התגובה.
  3. קביעת מקור מדידה חיוג מצב כדי לעקוב אחר.
  4. לשנות את החוגה התצוגה בלוח הקדמי Vהמסלול.
  5. הפעל PIPETTER לקזז חייג (עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון) עד mV קריאות 0 מטר והוא יציב.
  6. לחזור חיוג מצב מקור מדידה V-קלאמפ ולהציג הפאנל הקדמי חיוג כדי V/Iלהחזיקלהחזיק.

13. היווצרות שכבה ליפידית

  1. שחרר את טיפות זה הופקדו בעבר על-ידי הזזת האלקטרודות אנכית מחוץ לשלב שמן. פעולה זו גורמת את טיפות ליפול מהעגלה האלקטרודות לתוך השמן. מחדש להטביע, מקם את האלקטרודות בשמן.
  2. להשתמש את micropipette כדי הפיקדון 200 nL של השומנים פתרון "A" בכל החוטים.
  3. המתן 3-5 דקות לאפשר להרכבה חד שכבתי השומנים ספונטנית להתרחש אצל כל ממשק מים/שמן.
    הערה: כמו טפט השומנים הטפסים, ירידות מתח ממשק מים/שמן/שומנים בדם, אשר יכול לגרום את טיפות להתדלדל אם השמן שמסביב הוא מספיק פחות צפופה21.
  4. נמוך אלקטרודות (וגם טיפות) עד הקצוות של שתי אלקטרודות בקושי נוגע בתחתית למיכל הנפט (איור 1b) ולאחר מכן העבר אותם בצורה אופקית כדי להביא את טיפות לתוך הקשר.
    הערה: ליפידית ספונטני דק על ידי למעט עודפי השמן מבין טיפות קשר איתם. בדרך כלל, תהליך זה מתרחש בתוך 1 דקות.

14. חשמל אפיון ממריסטור למערכות ביולוגיות

  1. היווצרות ליפיד Bilayer
    1. כדי להקליט את היווצרות ליפיד bilayer, המתאים הגדלת הקיבולת החשמלית בין טיפות, החל 10 הרץ, 10 mV waveform משולש מתח באמצעות גנרטור פונקציה (איור 4) מחובר לקלט חיצוני של המלחציים תיקון מגבר.
      הערה: בשל אופיו קיבולי של קרום השומנים, התגובה הנוכחי צריך להיות גל מרובע (איור 4). במהלך היווצרות ליפיד bilayer, שלב 11.6, החוקר צריך לראות גידול משרעת הנוכחי שיא אל שיא, לצפות גם שינוי חזותי בין טיפות מחובר (איור 4).
  2. מדידות מתח זרם
    הערה: ממריסטור למערכות ביולוגיות הוא המודל הנגד, קבל במקביל12,21. לכן, התגובה הנוכחי של המכשיר יכול להכיל רכיבים resistive והן קיבולי בהתאם התדירות של המתח יישומית. כדי לעמוד על טיבו memristive של המכשיר, וכדי להשיג את מערכת היחסים הנוכחית מתח hysteretic צבט12, ייתכן צורך להפחית זרם קיבולי הנוכחי הכולל. להלן הפרוטוקול מתאר הליך זה.
    1. באמצעות גנרטור פונקציה, יחולו על waveform מתח (משולש או sinusoidal) קרום השומנים ללא alamethicin עם טיפות של פתרון "A".
    2. להקליט את התגובה הנוכחית המושרה על-פני מספר תדרים.
      הערה: זרמים קיבולי ממוזערים בתדרים מתחת 10 מגה-הרץ.
    3. שיא לגודל שכבה ליפידית פנים או מדידת הקוטר של קרום השומנים במחשב, או על ידי הקלטה של משרעת שיא אל שיא הנוכחי הנובע 10 הרץ, 10 mV גל משולש. משרעת הנוכחי הוא יחסי קיבול הממברנה, אשר בתורו הוא יחסי לאזור של הקרום.
    4. הסר את טיפות המכילות alamethicin אין.
    5. להוסיף טיפות מימית חדש באמצעות פתרון "C" ויוצרים שכבה ליפידית.
    6. להשתמש את micromanipulators כדי להתאים מגע בין טיפות כאלה bilayer כולל אזור דומה (קוטר או משרעת הנוכחי בכיכר-גל) כאחת נוצר קודם לכן.
    7. חזור על שלבים 14.2.1 ו 14.2.2.
    8. להחסיר צעד שהוקלט ב הנוכחי 14.2.2 מ הנוכחי רשמת בשלב 14.2.7.
    9. מגרש הזרם המושרה נגד מתח המופעל עבור כל תדירות וכל צורת גל כדי לקבל את התגובה memristive "היסטרזיס צבט".
  3. הדופק ניסויים
    1. באמצעות תוכנות מותאמות אישית תכנות מקור מתח אנלוגי, יוצרות מתח פולסים עם ספציפי amplitudes גבוהות ונמוכות, בזמן ולאחר זמן כיבוי.
      הערה: זה לא דרוש אם הפולסים מתח יכול להיווצר באמצעות גנרטור פונקציה מסחרית.
    2. הרשומה הנוכחית בתגובה פולסים יישומית.
    3. בשל אופי ממריסטור קיבולי, קוצים קיבולי יתועדו. להסיר קוצים על-ידי החלת מסנן נמוך לעבור עם passband המתאים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

איור 1 מציג את הגדרת הניסוי נהגו להרכיב לאפיין את ממריסטור למערכות ביולוגיות. הנמכת הפנויות של האלקטרודות לחלק התחתון של המאגר שמן, כפי שמוצג איור 1b, נמצאה מועילה למזער את התנודות של אלקטרודות, טיפות שיכול לגרום וריאציות נמדד הנוכחי, באזור bilayer, במיוחד במקרים איפה חימום השמן ניתן להפיק הולכת חום זרימת הנפט. איור 2 מציג את ההליך ואת תוצאת בהרכבת חוטי, מחלקה נימים ו מחזיקי אלקטרודה, micropipette את Ag/AgCl. הגדרת שוכן בתוך כלוב פא...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

מאמר זה מציג פרוטוקול עבור הרכבת ואפיון בהתבסס על יון מסטול-ערוץ סינתטי biomembranes הנוצרת בין שתי טיפות מים בשמן memristors למערכות ביולוגיות. המכשיר רך-עניין, שני-מסוף מיועד ולמד כדי: 1) ולהתגבר על אילוצים הקשורים בטכנולוגיה של מצב מוצק, כגון רעש גבוהה, צריכת אנרגיה גבוהה, גבוהה מיתוג מתח, קרוב יותר 2) לחקות את ההרכב, מבנה החלפת מנגנונים של הסינפסות ביולוגי ו- 3) לחקור את המנגנונים ותכונות של ביו-סינפסה פלסטיות לא מוצגים על-ידי התקנים של מצב מוצק.

רביב ממשק bilayer טכניקה2...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

כתב יד זה שערך על ידי UT-Battelle, LLC, תחת חוזה מס דה-AC0500OR22725 עם מחלקת האנרגיה של ארצות הברית. ממשלת ארצות הברית שומרת ובהיותו המו ל, על-ידי קבלת המאמר לפרסום, כי ממשלת ארצות הברית שומרת על רישיון לא בלעדי, הספקות, לעצמם, ברחבי העולם כדי לפרסם או לשחזר את הטופס שפורסם של כתב יד זה, או לאפשר לאחרים לעשות כך, למטרות ממשלת ארצות הברית.

תודות

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

תמיכה כספית סופק על ידי הלאומית למדע קרן גרנט NSF מרכזים לגיל הרך-1631472. מחקר על G.J.T., דיסקים, א. ב., C.P.C. הייתה חלקית בחסות המעבדה ביימה ומחקר ופיתוח תוכנית של אלון רכס המעבדה הלאומית, המנוהל על-ידי UT-Battelle, LLC, עבור מחלקת האנרגיה של ארצות הברית. חלק של מחקר זה נערך במרכז עבור Nanophase חומרים מדעי, אשר DOE Office של המשתמש מתקן מדעי.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC)Avanti Polar Lipids850356P/850356Cנרכש כאבקה ליופילית (P) או בכלורופורם (C) 
אגרוז Sigma-AldrichA9539
Agarose (0.5 גרם טבליות אגרוז)BenchmarkA2501ניתן להשתמש בצורת האבקה או בטבליות 
אלמטיצין AG ScientificA-1286
איזון אנליטי מגבר מטלר טולדוME204TE/00
Axopatch 200B מכשירים מולקולריים-BK
Precision 4017B 10 MHz DDs מחולל טאטא/פונקציהDigi-KeyBK4017B-ND
נימי זכוכית בורוסיליקטWorld Precision Instruments1B100F-4
תמציות שומנים במוח (חזיר)Avanti Polar Lipids131101
מערכת DigiData 1440Aהתקנים מולקולריים-
סט מכבש עם מחזיק/בלוק חימום Avanti Polar Lipids610000זה כולל מיני אקסטרודר, 2 מזרקים, 100 ממברנות PC, 100 תומכי פילטר ומקפיא מחזיק/בלוק חימום
אחד (-20 & deg; C)VWR InternationalSCUCBI0420AD
Glassware VWRInternational-Hexadecane
, 99%Sigma-Aldrich544-76-3
איזופרופיל אלכוהולVWR InternationalBDH1133-4LP
מחזיק מיקרואלקטרודותWorld Precision InstrumentsMEH1S
MOPSSigma-AldrichM1254
חנקן (N2) גזאווירגז UN1066
Parafilm M סרט מעבדה לכל מטרהParafilmPM999
כפפות לבדיקת ניטריל רך ללא אבקה VWR InternationalCA89-38-272
מיקרוסקופ נקי מראש Sildes פישר סיינטיפיק 22-267-013
מקרר (4 ° C)VWR InternationalSCUCFS-0504G
חוט כסףGoodFellow147-346-94ניתן להשתמש בקטרים שונים בהתאם ליישום 
נתרן כלורי (KCl)Sigma-AldrichP3911
ערבוב פלטה חמהתרמו מדעי 
SP131325 מגבי רקמות קלים VWRVWR International82003-820
VWR Scientific 50D מנקה אולטרסאונדVWR International13089

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים