Hace solo 10 años, Los científicos que trabajaban en lo que esperaban que abriera una nueva frontera de la computación neuromórfica solo podían soñar con un dispositivo que usara herramientas en miniatura llamadas memristores que funcionarían / ​​operarían como sinapsis cerebrales reales.

Pero ahora un equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst ha descubierto, en su camino hacia una mejor comprensión de los nanocables de proteínas, cómo usar estos biológicos, filamentos conductores de electricidad para hacer un memristor neuromórfico, o "transistor de memoria, ". Funciona de manera extremadamente eficiente con muy baja potencia, como hacen los cerebros, para llevar señales entre neuronas. Los detalles están en Comunicaciones de la naturaleza .

Como primer autor Tianda Fu, un doctorado candidato en ingeniería eléctrica e informática, explica, uno de los mayores obstáculos para la computación neuromórfica, y uno que lo hacía parecer inalcanzable, es que la mayoría de las computadoras convencionales funcionan a más de 1 voltio, mientras que el cerebro envía señales llamadas potenciales de acción entre neuronas a alrededor de 80 milivoltios, muchas veces más bajas. Hoy dia, una década después de los primeros experimentos, El voltaje del memristor se ha logrado en un rango similar al de una computadora convencional, pero llegar abajo eso parecía improbable, él añade.

Fu informa que el uso de nanocables de proteínas desarrollados en UMass Amherst a partir de la bacteria Geobacter por el microbiólogo y coautor Derek Lovely, ahora ha realizado experimentos en los que los memristores han alcanzado voltajes neurológicos. Esas pruebas se llevaron a cabo en el laboratorio del investigador y coautor de ingeniería eléctrica e informática Jun Yao.

Yao dice, "Esta es la primera vez que un dispositivo puede funcionar al mismo nivel de voltaje que el cerebro. La gente probablemente ni siquiera se atrevió a esperar que pudiéramos crear un dispositivo que sea tan eficiente en términos de energía como las contrapartes biológicas en un cerebro". pero ahora tenemos evidencia realista de capacidades de computación de energía ultrabaja. Es un gran avance en el concepto y creemos que causará mucha exploración en la electrónica que funciona en el régimen de voltaje biológico ".

Lovely señala que los nanocables de proteínas conductores de electricidad de Geobacter ofrecen muchas ventajas sobre los costosos nanocables de silicio. que requieren productos químicos tóxicos y procesos de alta energía para producir. Los nanocables de proteínas también son más estables en agua o fluidos corporales, una característica importante para aplicaciones biomédicas. Por este trabajo, los investigadores cortan los nanocables de las bacterias para que solo se utilice la proteína conductora, él añade.

Fu dice que él y Yao se habían propuesto poner a prueba los nanocables purificados, para ver de lo que son capaces a diferentes voltajes, por ejemplo. Experimentaron con un patrón intermitente pulsante de carga positiva-negativa enviada a través de un pequeño hilo de metal en un memristor, que crea un interruptor eléctrico.

Usaron un hilo de metal porque los nanocables de proteínas facilitan la reducción de metales, cambiar la reactividad de los iones metálicos y las propiedades de transferencia de electrones. Lovely dice que esta capacidad microbiana no es sorprendente, porque los nanocables de bacterias silvestres respiran y reducen químicamente los metales para obtener su energía de la forma en que respiramos oxígeno.

A medida que los pulsos de encendido y apagado crean cambios en los filamentos metálicos, se crean nuevas ramificaciones y conexiones en el pequeño dispositivo, que es 100 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano, Yao explica. Crea un efecto similar al aprendizaje, nuevas conexiones, en un cerebro real. Él añade, "Puede modular la conductividad, o la plasticidad de la sinapsis de nanocables-memristor para que pueda emular componentes biológicos para la computación inspirada en el cerebro. En comparación con una computadora convencional, este dispositivo tiene una capacidad de aprendizaje que no está basada en software ".

Fu recuerda, "En los primeros experimentos que hicimos, el rendimiento del nanoalambre no fue satisfactorio, pero fue suficiente para seguir adelante ". Durante dos años, vio mejoras hasta un fatídico día en que sus ojos y los de Yao quedaron cautivados por las mediciones de voltaje que aparecían en la pantalla de una computadora.

"Recuerdo el día en que vimos esta gran actuación. Vimos la computadora mientras se medía el barrido de voltaje actual. Siguió funcionando hacia abajo y hacia abajo y nos dijimos el uno al otro:'Guau, esta funcionando.' Fue muy sorprendente y muy alentador ".

Fu Yao, Lovely y sus colegas planean seguir este descubrimiento con más investigación sobre los mecanismos, y "explorar completamente la química, biología y electrónica "de nanocables de proteínas en memristores, Fu dice, más posibles aplicaciones, que puede incluir un dispositivo para controlar la frecuencia cardíaca, por ejemplo. Yao agrega, "Esto ofrece esperanza en la viabilidad de que algún día este dispositivo pueda comunicarse con neuronas reales en sistemas biológicos".