Summary
Мягкие низким энергопотреблением, биомолекулярных memristors использовать аналогичный состав, структура и переключения механизмов био синапсы. Здесь представлены протокол собрать и характеризуют биомолекулярных memristors получается из изоляционного липидных бислоев образуются между капельки воды в масле. Включение пептидов напряжения активированный alamethicin приводит к memristive ионной проводимости через мембрану.
Abstract
Возможность воссоздать синаптических функциональности в цепи синтетических элементов имеет важное значение для neuromorphic вычислительных систем, которые стремятся подражать когнитивной полномочия мозга с сопоставимой эффективности и плотности. На сегодняшний день, на базе кремния три терминала транзисторов и два терминал memristors широко используются в neuromorphic цепей, в значительной степени из-за их способности разместить обработки информации и память. Но эти устройства не могут достичь взаимосвязанности и сложность мозга, потому что они властолюбивый, не имитировать ключевых синаптических функциональности и страдают от повышенного шума и высокой переключение напряжения. Чтобы преодолеть эти ограничения, мы разработали и характеризуется биомолекулярных Мемристор, который имитирует состав, структура и переключения характеристики биологических синапсы. Здесь мы описываем процесс сборки и характеризующие биомолекулярных memristors, состоящий из 5 Нм толщиной липидному образуются между капельки липидов функционализированных воды в масле и легированного напряжения активированный alamethicin пептидов. В то время как аналогичные протоколы Ассамблеи были использованы для изучения биофизические свойства капелька поддерживаемые липидные мембраны и мембраны прыгните ионных каналов, эта статья фокусируется на основных модификаций капелька бислой метода интерфейса существенно важное значение для обеспечение последовательного Мемристор производительности. Конкретно мы описываем процесс подготовки липосом и включение alamethicin пептидов в липидного бислоя мембраны и соответствующей концентрации каждой составляющей, а также их влияние на общий ответ memristors. Мы также подробно характеристика процесса биомолекулярных memristors, в том числе измерение и анализ memristive-амперных отношений получил через циклической вольтамперометрии, а также краткосрочные пластичности и поэтапного обучения в ответ на напряжение импульса поезда.
Introduction
Широко признается, что биологические синапсы отвечают за высокую эффективность и огромные параллелизм мозга из-за их способность учиться и обрабатывать информацию высоко адаптивный способами. Эта функциональность скоординированных вытекает из нескольких сложных молекулярных механизмов диска как краткосрочные и долгосрочные синаптической пластичности1,2,3,4,5. Neuromorphic вычислительных систем стремятся подражать синаптических функций на уровнях, приближается к плотности, сложности и эффективности использования энергии мозга, которые необходимы для следующего поколения компьютеров мозга как6,7 , 8. Однако, воспроизводя синаптических черт, с использованием элементов традиционных электронных цепей является практически невозможным9, вместо этого требуя проектирование и изготовление новых аппаратных элементов, которые могут адаптироваться к входящие сигналы и помнить Информация истории9. Эти типы СИНАПС вдохновил оборудования известны как мем элементы9,10,11 (короткий для памяти элементы), которые, по словам Di Вентра et al.9,11, пассивной, двух терминал устройства, сопротивление, емкость или которых индуктивность может быть перенастроена в ответ на внешние раздражители, и который может вспомнить предыдущие государств11. Для достижения уровня потребления энергии, приближается в головном мозге, эти элементы должны использовать подобные материалы и механизмы синаптической пластичности12.
На сегодняшний день, два терминал memristors13,,1415 преимущественно были построены с использованием дополнительные металл оксид полупроводник (CMOS) технологии, характеризуется высокой переключение напряжения и высокой шума. Эта технология не масштабируются благодаря высоким энергопотреблением и низкой плотности. Чтобы устранить эти ограничения, несколько органических и полимерных memristors были недавно построены. Однако эти устройства обладают значительно медленнее переключения динамика благодаря длительным Ион диффузии через проводящей полимерной матрицы16,17. В результате механизмы, которые оба устройства на основе КМОП и органических memristive подражать СИНАПС вдохновил функции весьма феноменологической, охватывающих лишь несколько синаптических функций таких сроков зависит от пластичности в Spike (СТДП) 18, в то время как другие ключевые видом, также играют важную роль в принятии мозга мощной и эффективной компьютера, например предварительно синаптической, краткосрочные пластичности19.
Недавно мы ввели новый класс memristive устройств12 показывая напряжения активированный пептиды, включены в biomimetic липидные мембраны, имитирующий биомолекулярных состав, мембранные структуры и ионного канала срабатывает переключение механизмы биологической синапсы20. Здесь мы опишем, как собрать и электрически допросить эти два терминал устройства, с уделением особого внимания как оценить краткосрочные пластичности для осуществления в онлайн обучения приложения12. Ассамблея устройства основана на капельки бислой (DIB)21 метода интерфейса, который широко используется в последние годы для изучения биофизики мембран модель21 и мембраны прыгните ионных каналов22,23, 24и в качестве строительных блоков для разработки стимулов отзывчивым материалы25,26. Мы описать процесс сборки и допроса мембраны подробно для тех, кто заинтересован в neuromorphic приложениях, но имеют ограниченный опыт в биоматериалов или мембраны биологии. Протокол также включает в себя полное описание характеристик процедура, которая же важны, как процесс сборки, учитывая динамичный и перестраиваемой электрические свойства устройства27. Описанные здесь процедуры и представитель результаты являются основой для нового класса лоу кост, низким энергопотреблением, мягкие мем элементы на основе липидов интерфейсов и других биомолекул для применения в neuromorphic вычислений, автономных структур и систем, и даже адаптивного головного мозга компьютерные интерфейсы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Общие инструкции и меры предосторожности
- Выберите подходящую, неповрежденной измерения/микширование посуда, (колбы, мензурки и т.д.) и другие лабораторные (шпатели, ковши и т.д.) для использования.
- Обработка стекла тщательно, чтобы избежать повреждения и носить латекс или нитриловые перчатки, чтобы избежать загрязнения посуда/Посуда с остатками от пальцев и защитить вашу кожу.
- Чистой выбранной посуды/лабораторное оборудование, тщательно с использованием моющего раствора и воды, очистка с помощью мягкой бутылка кисти до чистой и все остатки удаляются.
- Тщательно промыть проточной водой, а затем с дейонизированной водой (DI). Сухое место на сушка для воздуха.
-
Факультативного: Промыть очищенную посуда/лабораторное оборудование с изопропиловый (IPA, 99,5%) и место под вакуумом для испарения все остаточные IPA, чтобы убедиться, что они свободны от любых загрязнений (~ 2 h). Удалить из вакуумной камеры и место в чистой окружающей среде.
Примечание: Используйте безворсовой салфетки для очистки посуды и лабораторное оборудование. Приобрести и использовать стерильные стеклянные флаконы и Сейф замок трубы для подготовки и образец хранения материалов. Для получения более подробной информации о очистки посуды и других лабораторных стандартных оперативных процедур обратитесь к JoVE науки образования базы данных28.
2. Подготовка водный буферного раствора
- Ношение латекса или нитриловые перчатки, выбор соответствующей и экологически чистой стеклянной тары для подготовки 50 мл водного буфера (хлорид натрия 500 мм (KCl), 10 мм 3-(N-Морфолино) propanesulfonic кислота (МОПЫ), рН 7,0).
- С помощью цифровой, высокая точность баланса массы и чистой лопаткой, обойтись 1.86378 г хлористого калия на чистую бумагу весом и затем добавить в стеклянной таре.
Примечание: Суммы KCl и швабры должна варьироваться в зависимости от желаемого объема и необходимости окончательного концентрации. - Весят 0.10463 g MOPS и добавить в стеклянной таре. Затем добавьте 50 мл воды ди стеклотары и вихревой тщательно до полного растворения KCl и швабры.
- Хранить буферного раствора при комнатной температуре и использовать при необходимости.
Примечание: в то время как Буферные растворы могут храниться для довольно длительного времени, рекомендуется использовать свежеприготовленные буферных растворов для лучшего и более последовательные результаты.
3. Подготовка липосом
Примечание: Шаг 3.1 применяется, только если фосфолипидов приобретаются как лиофилизированные порошки и поэтому, может быть пропущено, если фосфолипидов приобретаются в хлороформе.
- Растворяют 5 мг 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) или липидов мозг всего извлекает липидов (BTLE) в 1 мл хлороформа в 5 мл стерильной стеклянной флаконе.
- Во время нежно закрученной, испаряются хлороформ под нежный поток сухого азота до тех пор, пока фильм липидов остается в нижней части флакона.
- Место флакон, содержащий фильм липидов под вакуумом для 10-12 h для полного удаления остаточных хлороформ.
- Удаление флакон из вакуумной камеры и увлажняет липидной пленки, добавив 10 мл водного буферного раствора, подготовленный в шаге 2 для достижения окончательного липидов концентрация 2 мг/мл.
- Замораживание (-20 °C) и полностью разморозить липидов подвеска шесть раз для облегчения multilamellar липосом Ассамблеи.
Примечание: Пусть смесь разморозить при комнатной температуре, никогда не в среде с подогревом. - Использование коммерчески доступных экструдер, выдавливание решение липосом, заставляя подвеска полный липидов через поры мембраны трек травленная диаметром 0,1 мкм. Выдавливание подвеска 11 раз подряд немедленного получения липосом однослойных с диаметрами c.a. 100 Нм, необходимые для формирования правильного липидов монослоя. Хранить липосом подвеска на 4 °C и использовать в течение 1 недели подготовки. Для простоты обратитесь в результате липосом решение как «A».
Примечание: Для экструзии BTLE липосомы, исследователь это рекомендуется подогревать экструдера 45-50 °C, выше, чем фазового перехода температуры BTLE липидов (~ 37 °C)23,29, с тем чтобы легче экструзии. Гидратированных BTLE липосом, суспензий может также быть непосредственно подготовлены (вместо замораживания оттаивания и экструзии), поставив флакон закрытой подвеска в в Ванна sonicator при 55 °C для ~ 15 мин.
4. Восстановление Alamethicin пептидов
Примечание: Эта процедура описывает процесс растворения alamethicin в липосомах до конечной концентрации 1 мкм. Эта концентрация достаточно, чтобы побудить nA уровень токи похож на те ранее опубликованный12. Повышение концентрации пептида снизить порог переключения и увеличить амплитудами токов, вызванных приложенного напряжения29.
- Растворяют alamethicin пептидов в этанол до конечной концентрации 2,5 мг/мл, вихревой кратко, чтобы перемешать и хранить Стоковый раствор в морозильной камере (-20 °C).
Примечание: Alamethicin пептидов обычно закупаются в виде порошка. - В 1,5 мл Сейф lock смешайте с 1 мкл alamethicin Стоковый раствор для достижения окончательного alamethicin концентрации 13 мкм в суспензии липосом 99 мкл раствора «A». Вихрь хорошо перемешайте. В результате решение пептид липосомы называют «B».
- Mix 117 мкл раствора «A» с 10 мкл раствора B для достижения окончательного alamethicin концентрации 1 мм и затем Вортекс для хорошо перемешайте. Полученный раствор называют «C».
- Хранить решения "" B и C» »на 4 °C и использования при необходимости.
5. Подготовка геля агарозы
- С помощью цифровой, высокая точность баланса массы и чистой лопаткой, добавить 0,5 г порошка агарозы чистой бумаги весом.
- Передача весил агарозы в 100-мл чистого стекла стакан и добавить 50 мл воды ди агарозы.
Примечание: Это даст решение гель агарозы 1% (wt/vol). - Место чистой перемешивания магнит внутри стеклянный стакан и поместите стакан на перемешивание плита.
- Помешивая, доведите смесь до кипения, до тех пор, пока полностью не растворится агарозы.
- Удалите стакан с плитой для Позвольте смеси остыть до комнатной температуры. Хранить при 4 °C и использовать при необходимости.
- Прежде чем использовать снова, снова расплава агарозы путем нагрева с плита или Микроволновая печь.
6. Изготовление нефтяной пласт
Примечание: Описанной ниже процедуры является лишь одним из многих способов, что нефтяной пласт могут быть изготовлены. Читателю предлагается разработать и изготовить водохранилище, на основе имеющихся материалов, обработки возможностей и конкретных потребностей.
- С помощью ленточной пилы, вырезать 12 x 12 x 12 мм акриловый куб из акрилового листа большей толщиной 12 мм.
- Мельница отверстие диаметром 12 мм на глубину 8-12 мм в акриловые трубы (рис. 1a).
7. Подготовка электродов
- Использование ножницами, вырезать две части (75 мм) серебро провода (125 мкм диаметр).
- С помощью открытого пламени легче, расплава один конец каждого серебряной проволоки в виде сферических шарики (около 250 мкм в диаметре).
- Опускайте шар заканчивается в Отбеливатель для 1-2 ч для создания покрытие серебра хлорид серебра (Ag/AgCl). Темно-серого цвета показывает, что покрытие Ag/AgCl сформировалась (Рисунок 2a).
- Удалите оба провода из bleach, тщательно промойте водой ди и поместить в сторону на чистой безворсовой wipe.
- Окуните концы мяч в расплавленный агарозном геле для создания тонкого слоя. Это покрытие гель помогает закрепить водные капельки на провода под нефть.
- С помощью стеклорез, Сплит 10-cm длинный, 1/0.58 ОД/ID мм боросиликатного стекла капилляров в два капилляров 5 см.
- Вставьте один из стеклянных капилляров в держатель электрода (Рисунок 2Б, c), а затем кормить один Ag/AgCl провода в стеклянный капилляр (Рисунок 2d). Кормите другие Ag/AgCl провод во втором стеклянный капилляр.
- Подключите второй стеклянные капиллярные держателю микропипеткой стекла (Рисунок 2e, f).
8. Настройка эксперимента
- Место 1 мм толщиной, 25 x 75 мм стекла слайд на сцене инвертированным микроскопом (рис. 1a).
- Обойтись несколько капель масла гексадекан на центр стекла слайд, а затем поместите резервуар масла непосредственно на нефть на стеклянное скольжение.
Примечание: Добавление масла между водохранилище слайд и масло стекло используется для сопоставления преломления субстрата обеспечить ясное и четкое изображение. - Полностью заполните резервуар масла с маслом гексадекан. Убедитесь, что резервуар позиционируется выше объектива.
Примечание: Другие гидрофобные масла могут использоваться также. - Подсоедините держатель электрода к headstage Усилитель тока. Headstage должен быть установлен на микроманипулятор (рис. 1a) для сведения к минимуму Длина электрода и электрических шумов.
- Прикрепите держатель микропипеткой стекла с второй провод Ag/AgCl на другой микроманипулятор (рис. 1a).
- С помощью манипуляторов, позиция, которую электроды таким образом, что агарозы покрытием советы Ag/AgCl провода полностью погружен в нефтяной пласт на аналогичные вертикальной плоскости.
- Совместите два электрода и разделить их на несколько миллиметров (Рисунок 1a, b).
Примечание: После добавления капельки (описанные в шаге 13), провода должны быть привлечены все пути вниз до электрода советы соприкасаются в нижней части нефтяной пласт. Этот шаг обеспечит, что провода не колебаться и таким образом, позволит свести к минимуму ненужные колебания в измерения тока.
9. правильного заземления для уменьшения электрического шума
- Создайте на местах автобус , резьбы винта в таблицу анти-вибрации, на котором микроскопов помещается (рис. 3a).
Примечание: С помощью вибрации таблицы требуется свести к минимуму вибрации от окружающих, которые могут вызвать нежелательные колебания измерения тока. - Использование проводящей проволоки, подключите винт к заземлению (Рисунок 3А), а затем подключите микроскопа в местах шины.
- Поместите клетку Фарадея экспериментальной установки для снижения шума и электрически, подключите его к земле автобус (рис. 3b).
Примечание: Всегда рекомендуется избегать ненужных местах петли, как они могут привести к увеличению числа измерений уровня шума.
10. Обратная связь контролируемого Отопление
- Машина Отопление корпуса, в котором нефтяной пласт уютно умещается29алюминия.
- Убедитесь в том оставить отверстие в нижней части корпуса, чтобы иметь возможность просматривать через консоль через инвертированным микроскопом.
- Место 30 x 30 мм резистивный полиимида гибкий нагревательный элемент под алюминиевой оболочки.
- Место изоляционных пластин полидиметилсилоксан (PDMS) под нагреватель для уменьшения потерь тепла в направлении вниз и защиты микроскопа.
- Вставьте термопары в масляной фазы. После того, как убедившись термопара не трогать либо Ag/AgCl проволока, подсоедините провода термопары термопара данных приобретение Совету и записи температуры, с использованием пользовательского программирования.
Примечание: Напишите On-Off, пропорционального составной (PI) обратной связи температуры элемент управления для включения отопления и пассивного охлаждения температура масла в нужное значение. Коды могут быть предоставлены читателей по запросу.
11. Настройка программного обеспечения и оборудования
- Подготовьте программы для сбора данных, включение компьютеров, Микроскоп, функции генератора, Усилитель тока и системы сбора данных низким уровнем шума.
Примечание: в то время как любые текущие зондирования оборудование может использоваться, следующие инструкции являются специально для одного, перечисленных в Таблице материалов. Исследователи, которые хотели бы построить свои собственные Усилитель тока может относиться к Шлёнский et al.30. - На передней панели патч зажим Усилитель тока, установите на дисплее передней панели и источник измерение режим набирает VHOLD/IHOLD и V-образный зажим, соответственно.
- На передней панели установите среза Фильтра Бесселя 1 кГц и Получить выход в 0,5.
Примечание: Выбор, получить низкий выход позволяет запись больших выше текущего амплитуд, тогда как увеличение диапазона измерения жертвы выгоды для снижения шума измерений. - Установка конфигурации для КЛЕТОЧНЫХ β = 1. Это значение может быть позднее перешли 0.1 разрешить запись больших токов амплитуды.
- Установите все остальные управления циферблатов нулю или в нейтральном положении.
- Инициализируйте программного обеспечения, дважды щелкнув значок на рабочем столе.
- Нажмите кнопку Конфигурация | Дигитайзер чтобы открыть диалоговое окно планшета , а затем нажмите кнопку изменить .
- В диалоговом окне Изменить дигитайзер выберите соответствующие дигитайзера из списка Тип дигитайзера .
- Нажмите кнопку сканирование для обнаружения планшета.
- Нажмите кнопку OK для выхода из диалогового окна Изменить дигитайзер и затем нажмите кнопку ОК для выхода из окна дигитайзера .
- Нажмите кнопку ConРисунок | Стенде лаборатории.
- На вкладке Входные сигналы Лаборатории скамейкеЗадайте масштабный коэффициент 0,0005 V/ПА.
Примечание: Это значение должно быть Обновлено, если прибыль или β значения изменяются.
12. Пипетка смещение
Примечание: Описанной ниже процедуры применяется только к текущей усилитель, упомянутых в Таблице материалов.
- С помощью микропипеткой, депозит 200 nL водный липидов решения «A» на концах каждого Ag/AgCl провода под нефть.
- Привести капли в контакт и нажмите кнопку зап на передней панели усилителя сливаются капли в один том, охватывающих оба электродов. Это должно вызвать короткое замыкание ответ.
- Установить источник измерение режимов трек.
- Измените ручку передней панели дисплея на Vтрек.
- Поворот PIPETTER смещение набрать (по часовой стрелке или против часовой стрелки) до метр читает 0 mV и является стабильным.
- Возвращение исходного измерения режимов в V-образный зажим и передней панели отображения удаленного V/i,держать,держать.
13. формирование липидного бислоя
- Отпустите капельки, которые ранее были депонированы, перемещая электродов по вертикали из масляной фазы. Это вызывает капельки падать от электродов в масло. Вновь погрузить и положение электродов в масле.
- Используйте микропипеткой депозит 200 nL липидов решения «A» на каждом из проводов.
- Подождите 3-5 мин позволить Ассамблее монослоя спонтанное липидов происходят на каждом интерфейсе вода/масло.
Примечание: как формы монослоя липидов, уменьшается поверхностное натяжение липидов/вода/масло интерфейс, которые могут вызвать капельки провисать, если окружающие нефть является достаточно менее плотной21. - Ниже электродов (и капельки) до окончания обоих электродов практически не прикасайтесь к нижней части нефтяной пласт (рис. 1b) и затем перемещать их по горизонтали, чтобы принести капли в контакт.
Примечание: Липидного бислоя спонтанно будут тонкие, исключая избыток масла между соприкасающимися капельки. Как правило этот процесс происходит в течение 1 мин.
14. электрические характеристики биомолекулярных Мемристор
- Липидного бислоя формирования
- Для записи липидного бислоя образование, что соответствует увеличению электрической емкости между каплями, применить 10 Гц, 10 mV треугольной формы с помощью функции генератора (рис. 4), подключенного к входу внешней фиксации усилитель.
Примечание: В связи с емкостным характером липидные мембраны, результате текущего ответа следует квадратные волны (рис. 4). Во время формирования липидный бислой, шаг 11,6, исследователь должен увидеть увеличение амплитуда тока пик пик и также наблюдать визуального изменения между подключенных капельки (рис. 4).
- Для записи липидного бислоя образование, что соответствует увеличению электрической емкости между каплями, применить 10 Гц, 10 mV треугольной формы с помощью функции генератора (рис. 4), подключенного к входу внешней фиксации усилитель.
- Ток напряжение измерения
Примечание: Биомолекулярных Мемристор моделируется как резистор и конденсатор в параллельных12,21. Таким образом текущий ответ устройства может содержать резистивные и емкостные компоненты в зависимости от частоты приложенного напряжения. Для изучения memristive характер устройства и получить ущипнул гистерезисный отношения ток напряжение12, это может быть необходимо вычесть емкостной ток от общего тока. Протокол ниже описывает эту процедуру.- С помощью функции генератора, применить напряжения сигнала (треугольные или синусоидальные) бесплатно alamethicin липидов мембран, собрал с каплями раствора «A».
- Запись индуцированных текущего ответа на нескольких частотах.
Примечание: К минимуму емкостных токов на частотах ниже 10 МГц. - Запишите размер межфазного липидный бислой, измеряя диаметр липидные мембраны на компьютере, или путем записи амплитуда тока пик пик, вытекающие из 10 Гц, 10 mV треугольная волна. Амплитуда тока пропорциональна мембраны емкость, которая в свою очередь пропорциональна площади мембраны.
- Удаление капельки, которые содержат не alamethicin.
- Добавить новые водные капельки, с помощью решения «C» и формируют липидного бислоя.
- Используйте микроманипуляторы для регулировки контакта между каплями, таким образом, что бислой имеет аналогичные области (диаметр или площадь волны амплитуда тока), сформированные ранее.
- Повторите шаги 14.2.1 и 14.2.2.
- Вычтите текущий записанные в шаг 14.2.2 от текущего, записанный на шаге 14.2.7.
- Участок индуцированный ток против приложенное напряжение для каждой частоты и осциллограммы для получения ответа memristive «ущипнул гистерезиса».
- Пульс эксперименты
- С помощью пользовательского программирования и аналогового напряжения источника, генерировать импульсы напряжения с конкретными высокой и низкой амплитудой, на время и время отключения.
Примечание: Это не требуется если импульсов напряжения может быть создан с использованием коммерческих функции генератора. - Запись ток в ответ на прикладной импульсов.
- Связи с емкостным характером Мемристор будет записан емкостным шипы. Удалите шипы, применив фильтр нижних частот с соответствующей полосы пропускания.
- С помощью пользовательского программирования и аналогового напряжения источника, генерировать импульсы напряжения с конкретными высокой и низкой амплитудой, на время и время отключения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 1 показывает экспериментальной установки, используется для сборки и характеризуют биомолекулярных Мемристор. Снижение свободные концы электродов к нижней части нефтяной пласт, как показано на рисунок 1b, было признано полезным для сведения к минимуму колебаний электродов и капельки, которые могут привести к различиям в измерений тока и бислой области, особенно в случаях где мазута может генерировать конвективный поток в масле. Рисунок 2 показывает порядок и результат сборки Ag/AgCl провода, класс капилляров и Держатели электрода и микропипеткой. Установки размещается в заземленной клетку Фарадея (рис. 3) для сведения к минимуму электромагнитных помех.
Это важно для формирования стабильной, изоляционные липидного бислоя для этого исследования. В этом протоколе липидов монослоя собирает на нефть/вода интерфейсы водных капель, погруженный в масле. После контакта между каплями исключается избыток масла, и сопротивляясь монослои липидов тонкий к липидному толщиной 5-Нм. Наиболее распространенный метод, используемый в бислой электрофизиологии — мембраной, где контролируется напряжения через бислоя и индуцированный ток измеряется. На рисунке 4a изображает емкостной ток площади волна, индуцированных 10 МВ, 10 Гц напряжение во время формирования бислоя. Амплитуда увеличивается после начала бислой истончение и последующих радиальное расширение разбавлять мембраны, осциллограммы остается квадратных. Использование статичных амплитуда прямоугольной волны текущей, номинальная площадь липидного бислоя могут быть рассчитаны с использованием заранее значения конкретных мембраны емкость для DPhPC бислой21. Кроме того области бислой можно визуально оценить путем измерения диаметра бислой от изображения с микроскопом Рисунок 4b. Для точного липидного бислоя области вычислений читателю следует обратиться к Тейлор, et al.21. Области липидного бислоя может корректироваться путем изменения относительной позиции капли21,31.
После приложения напряжения смещения к липидному alamethicin бесплатно текущий ответ будет меняться в зависимости от частоты входного напряжения. На низких частотах (< 10-50 МГц), где сопротивление бислой доминирует комплексного сопротивления, омические текущего ответа является незначительным, потому что сопротивление номинальное мембраны обычно больше, чем 10 GΩ. Как входная частота увеличивается, емкость мембраны способствует больше сопротивления системы, что приводит к нулю текущего ответа отображаются в сюжет тока и напряжения в Рисунок 5a. Когда же входное напряжение сигнала (150 мВ) применяется к биомолекулярных ответ, состоящий из alamethicin легированных липидной мембраны, и когда амплитуды напряжения превышает порог критической вставки (~ 100 МВ для DPhPC мембраны при комнатной температуре), alamethicin пептиды, проживающих на поверхности липидного бислоя вставьте мембраны и статистические формы проводящих поры. Формирование порог зависимых ионных каналов приводит к нелинейной макроскопических текущего ответа, с экспоненциально повышения токов при напряжении выше, чем порог вставки (Рисунок 5b). В то время как alamethicin пептидов известны формы выпрямительный ионные каналы только на достаточно позитивным напряжения, симметричный характер этих текущих ответов на обеих полярностей связано вставки и агрегирования отдельных популяций пептиды, каждый из противоположных сторонах мембраны. В зависимости от частоты приложенного напряжения индуцированного текущего ответа могут также содержать взносы от емкостной ток. Таким образом емкостной ток в Рисунок 5a должна вычитаться из общего текущего отображаемого в Рисунок 5b для получения только memristive ущипнул гистерезиса вольт амперных ответа, отображаемый в рисунке 5 c, d.
Рисунок 6 отображает динамический переключения ответ биомолекулярных Мемристор индуцированных импульсов напряжения (130 МВ (высокий), 20 МВ (низкий), 100 мс (ON), 20 мс (OFF)). OFF напряжения выбирается 20 МВ дифференцировать возвращение устройства в состоянии изоляции как alamethicin каналы оставить бислой довольно от текущего просто исчезать на нулевой напряжения входных данных. Совокупное увеличение тока на государства во время последовательных напряжения импульсов представляет паре импульсного упрощению, пластичности, что летучие биомолекулярных memristors способны выставке12.
Рисунок 1: Экспериментальной установки и основные части. () стандартной рабочей станции для сборки и характеризующие биомолекулярных Мемристор включает инвертированным микроскопом, 3-оси микроманипуляторы, цифровой фотоаппарат, вибрационный стол изоляции, держатель электрода, стекло держатель микропипеткой, Усилитель тока, функции генератора и нефтяной пласт. Установка монтируется на сцене микроскопом как описано в шагах 11-13. (b) увеличено в фотографию установки показаны советы Ag/AgCl провода, касаясь в нижней части нефтяной пласт. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Процедура подготовки электрода. Фотографии: () серебряные провода, замачивания в Отбеливатель; (b) держатель электрода; (c) 5 см длиной стеклянный капилляр подключен к держатель электрода; (d) Ag/AgCl электродов кормили через стеклянный капилляр; (e) стекло держатель микропипеткой; и (f) полностью собранный электродов и держатели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: Заземления процедуры. Фотографии: () винт с резьбой на поверхности стола изоляции вибрации для создания на местах автобус при подключении к заземлению; и (b) сделал лаборатории Фарадея Кейдж охватывающих нефти водохранилище и электродом установки щита измерение от электромагнитных помех. Кейдж и микроскоп этапа привязаны к земле автобус через кабели I и II. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: Реальном времени текущего измерения показывают первоначальный бислой истончение и ареал роста. () текущей измеряемой (вверху) во время формирования спонтанное бислой между покрытием липидного капель в ответ на треугольные волны напряжения. Величина измерения тока прямо пропорциональна емкость интерфейса и, следовательно, площадь бислоя. Область интерфейса может быть изменено путем изменения расстояния между двумя электродами капелька подшипник. (b) изображение приобрел через инвертированным микроскопом показывает вид снизу и размеры типичного на основе мембранных биомолекулярных Мемристор. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: -Амперных отношения и ущипнул гистерезиса. ()-амперных ответы бесплатно alamethicin DPhPC липидного бислоя. Только липидов мембран весьма изоляционные (~ 10 GΩ), который объясняет низкого омического текущего ответа 0,017 Гц, частоты, где сопротивление преобладают сопротивление мембраны. На более высоких частотах мембраны емкость более значительно способствует общее сопротивление интерфейса, что приводит к нулю индуцированных емкостной ток. (b) динамические отношения-амперных против частота липидного бислоя образуются между двух капель, содержащих alamethicin пептидов (полученные с треугольной волной ввода). (c) memristive, ущипнул гистерезисный текущий ответ устройства получается путем вычитания емкостной ток, отображаются в от общего тока, отображаются в b. (d) масштабирование в чтобы подчеркнуть различия между общей и memristive токи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6: Ответ биомолекулярных memristors импульсов прямоугольной напряжения и пластичности. Устройство отвечает на последующие напряжения импульсов с увеличением проводимости на время, несмотря на периодически восстановление изоляции государства во время каждой OFF. Увеличение тока от импульса к импульса показывает, что мгновенное проводимости устройства функция настоящий стимул и предварительного раздражители, аналогичные краткосрочные пластичности в био синапсы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Этот документ представляет собой протокол для монтажа и характеризующие биомолекулярных memristors, основанный на ионного канала легированных синтетических биомембран образуются между двумя каплями воды в масле. Устройство мягкой материи, два терминал спроектирован и учился: 1) преодолеть трудности, которые связаны с твердотельной технологии, такие, как высокий шум, высокое потребление энергии и высокая переключение напряжения, 2) более тесно имитировать состав, структура переключения механизмов биологического синапсов и 3) изучить механизмы и особенности пластичности био синапса, которые не выставлены на твердотельных устройств.
Капелька интерфейс бислой техника21, который представляет строительный блок в настоящее время технологии12, является простой, модульный подход для сборки мембраны, широко использовался для изучения мембранная биофизика21, белки22, ионные каналы29и других биомолекул32. Он предлагает конкретные преимущества для точно контролировать и допрос модель мембраны и представляет собой строительный блок для раздражители отзывчивым и автономных материалов26. Чтобы собрать капельки интерфейс бислоев, включая висит падение21 метод, который был адаптирован в качестве основного метода для разработки и характеризуют биомолекулярных Мемристор были разработаны несколько методов. Несмотря на то, что эта мембрана Ассамблеи техника использовалась в предыдущих исследованиях, здесь мы представляем тщательное протокол, который позволяет исследователям для воссоздания и изучения memristive капли интерфейс бислоев в собственных лабораториях. Протокол специально написан таким образом, чтобы позволить исследователям в областях биологии-мембраны, например neuromorphic сообщества, чтобы понять и воссоздать эти процедуры.
В своей простейшей форме протокол, который мы описали здесь для оценки функциональных memristive биомембранной могут быть реплицированы с основное лабораторное оборудование такие функции генератора, микроскопом и система измерения тока. Собрал устройство электрически эквивалентен (~ 10 GΩ) резистор и конденсатор проводной параллельно. Присутствии пептиды, например alamethicin, которые способны образовывать напряжени тока зависимых поры в мембране, сопротивление мембраны значительно падает, и резистивный ток может быть обнаружен в ответ на входные сигналы напряжения (постоянного или переменного тока). Однако, большой мембраны сопротивления и частотно зависимые импеданс устройства означает, что: 1) индуцированные токи малы (ПА nA) и с учетом электромагнитных помех; и 2) необходимо позаботиться о том, чтобы точно побудить и измерить свойства желаемого memristive отдельно от емкостных мембраны ответы, соответственно. В ответ на переменного напряжения и в зависимости от частоты сигнала записанные ток будет содержать емкостной и резистивной компоненты. Для достижения ущипнул гистерезиса, который является сигнатурой memristive устройства, одно должны следовать протокол, описанные в шаге 14. Висячие провода восприимчивы к вибрации, которые могут привести к артефакта ответов, таких как колебания, ошибочно приписываемых фактической динамики устройства. Позиционирование провода в нижней части водохранилища масло улучшает это поведение.
Биомолекулярных Мемристор с ее нынешней структуры и дизайна эмулирует краткосрочных синаптической пластичности, что происходит в пресинаптическом терминала. Он также имитирует некоторые из механизмов, которые вызывают Пресинаптический парных импульсного содействие в головном мозге из-за накопления и истощение нейромедиатора везикулы в Пресинаптический нейрон. Эта методология для монтажа синаптических имитирует позволяет исследования и проверки biomimetic процессов, ответственность за многие виды краткосрочных пластичности и оптимизации модульность и масштабируемость не представляется возможным с других технологий33. Могут быть обнаружены непредвиденные функциональность изменяя состав мембраны, типы ионных каналов, которые включены в мембраны и даже количество подключенных капельки и межфазного мембраны, составляющих каждый двух терминал устройство. В качестве примера мы недавно продемонстрировали возможности онлайн обучения биомолекулярных Мемристор взаимодействие с твердотельным нейрон34.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Эта рукопись была автором UT-Battelle, ООО, под контракт № DE-AC0500OR22725 с Департаментом энергетики США. Правительство Соединенных Штатов сохраняет и издатель, приняв статьи для публикации, признает, что правительство Соединенных Штатов сохраняет неисключительную, оплаченного, безотзывный, всемирно лицензию для публикации или воспроизвести опубликованной форме Эта рукопись, или позволить другим сделать это, для целей правительства Соединенных Штатов.
Acknowledgments
Финансовая поддержка была оказана в национальной науки Фонд Грант NSF ECCS-1631472. Исследования G.J.T., C.D.S., а.б., и ставилось был частично авторами лаборатории направлены исследования и развития программы из Окриджская национальная лаборатория, управляемые UT-Battelle, ООО, для министерства энергетики США. Часть этого исследования была проведена в центре для Nanophase материаловедение, которые является DOE отделение науки пользователя объекта.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) | Avanti Polar Lipids | 850356P/850356C | Purchased as lyophilized powder (P) or in chloroform (C) |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | |
| Agarose (0.5g Agarose Tablets) | Benchmark | A2501 | You can either use the powder form or the tablets |
| Alamethicin | AG Scientific | A-1286 | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | ME204TE/00 | |
| Axopatch 200B Amplifier | Molecular Devices | - | |
| BK Precision 4017B 10 MHz DDs Sweep/Function Generator | Digi-Key | BK4017B-ND | |
| Borosilicate Glass Capillaries | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
| Brain Total Lipid Extracts (Porcine) | Avanti Polar Lipids | 131101 | |
| DigiData 1440A system | Molecular Devices | - | |
| Extruder Set With Holder/Heating Block | Avanti Polar Lipids | 610000 | This includes a mini-extruder, 2 syringes, 100 PC membranes, 100 filter supports, and 1 holder/heating block |
| Freezer (-20 °C) | VWR International | SCUCBI0420AD | |
| Glassware | VWR International | - | |
| Hexadecane, 99% | Sigma-Aldrich | 544-76-3 | |
| Isopropyl Alcohol | VWR International | BDH1133-4LP | |
| Microelectrode Holder | World Precision Instruments | MEH1S | |
| MOPS | Sigma-Aldrich | M1254 | |
| Nitrogen (N2) Gas | Airgas | UN1066 | |
| Parafilm M All-Purpose Laboratory Film | Parafilm | PM999 | |
| Powder Free Soft Nitrile Examination Gloves | VWR International | CA89-38-272 | |
| Precleaned Microscope Sildes | Fisher Scientific | 22-267-013 | |
| Refrigirator (4 °C) | VWR International | SCUCFS-0504G | |
| Silver wire | GoodFellow | 147-346-94 | Different diameters could be used depending on the application |
| Sodium Chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| Stirring Hot Plate | Thermo Scientific | SP131325 | |
| VWR Light-Duty Tissue Wipers | VWR International | 82003-820 | |
| VWR Scientific 50D Ultrasonic Cleaner | VWR International | 13089 |
References
- Thompson, R. F. The neurobiology of learning and memory. Science. 233 (4767), 941-947 (1986).
- Squire, L. R. Memory systems of the brain: a brief history and current perspective. Neurobiology of learning and memory. 82 (3), 171-177 (2004).
- Benfenati, F. Synaptic plasticity and the neurobiology of learning and memory. Acta Bio Medica Atenei Parmensis. 78 (1Suppl), 58-66 (2007).
- Marx, G., Gilon, C. The molecular basis of memory. ACS Chemical Neuroscience. 9 (8), 633-642 (2012).
- 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).
- Merolla, P. A. A million spiking-neuron integrated circuit with a scalable communication network and interface. Science. 345 (6197), 668-673 (2014).
- Benjamin, B. V. Neurogrid: A mixed-analog-digital multichip system for large-scale neural simulations. Proceedings of the IEEE. 102 (5), 699-716 (2014).
- Furber, S. Large-scale neuromorphic computing systems. Journal of neural engineering. 13 (5), 051001 (2016).
- Di Ventra, M., Pershin, Y. V. The parallel approach. Nature Physics. 9 (4), 200-202 (2013).
- Chua, L. Memristor-the missing circuit element. IEEE Transactions on circuit theory. 18 (5), 507-519 (1971).
- 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).
- Najem, J. S. Memristive Ion Channel-Doped Biomembranes as Synaptic Mimics. ACS Nano. , (2018).
- Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. The missing memristor found. Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).
- Prezioso, M. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors. Nature. 521 (75550), 61-64 (2015).
- Prodromakis, T., Toumazou, C., Chua, L. Two centuries of memristors. Nature Materials. 11 (6), 478 (2012).
- Berzina, T. Optimization of an organic memristor as an adaptive memory element. Journal of Applied Physics. 105 (12), 124515 (2009).
- van de Burgt, Y., Melianas, A., Keene, S. T., Malliaras, G., Salleo, A. Organic electronics for neuromorphic computing. Nature Electronics. 1, (2018).
- Dan, Y., Poo, M. M. Spike timing-dependent plasticity: from synapse to perception. Physiological reviews. 86 (3), 1033-1048 (2006).
- Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Reviews of Physiology. 64 (1), 355-405 (2002).
- 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).
- 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).
- Najem, J. S. Activation of bacterial channel MscL in mechanically stimulated droplet interface bilayers. Scientific Reports. 5, 13726 (2015).
- 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).
- Taylor, G. Electrophysiological interrogation of asymmetric droplet interface bilayers reveals surface-bound alamethicin induces lipid flip-flop. Biochimica et biophysica acta (BBA)-Biomembranes. , (2018).
- 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).
- Sarles, S. A., Leo, D. J. Membrane-based biomolecular smart materials. Smart Materials & Structures. 20 (9), (2011).
- Sarles, S. A. Physical encapsulation of interface bilayers. , Virginia Tech. (2010).
- JoVE Science Education Datatbase. Organic Chemistry II. Cleaning Glassware. Journal of Visualized Experiments. , Cambridge, MA. (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bayley, H. Droplet interface bilayers. Molecular Biosystems. 4 (12), 1191-1208 (2008).
- 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).
- 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).
