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生物材料如何影响下一代计算机的设计
2023年01月11日    阅读量:20     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com    |  投稿

犹他大学心理学系教授拉尔夫·利迪奇(Ralph Lydic)和犹他大学物理和天文学系研究助理教授德米特里·博尔马托夫(Dmitry Bolmatov)是UT/ORL研究团队的一员,他们研究生物启发材料如何影响下一代计算机的设计。他们的研究结果最近发表在《美国国家科学院院刊》上,可能对边缘计算和人类健康产生重大影响。

ORNL和UT的科学家发现,一种人工细胞膜能够长时间增强(LTP),这是生物学习和记忆的标志。这是第一个证明细胞膜单独存在的证据鈥攚没有蛋白质或其他生物分子嵌入其中鈥攊能够持续数小时的LTP。这也是第一个可以编码记忆的纳米级结构。

“当设施因COVID而关闭时,这导致我们偏离了通常的膜研究,”ORNL中子科学局的生物物理学家约翰·卡撒拉斯(John Katsaras)说,他专门研究中子散射和ORNL生物膜研究。“与博士后哈登·斯科特(Haden Scott)一起,我们决定重新审视帕特·科利尔(Pat Collier)及其同事先前研究的一个系统,这次采用了一种完全不同的电刺激方案,我们称之为“训练”。”

这最终导致了与在人脑中观察到的LTP信号几乎无法区分的数据。

在纳米级系统中编码内存有可能推动下一代计算材料和架构的发展,以寻求与人类认知的效率和灵活性相匹配鈥攌被称为神经形态计算。虽然对人工智能的影响可能显而易见,但类脑计算也将极大地改变下一代设备的能源效率和计算能力。

“大脑中的记忆和逻辑是交织在一起的,”科利尔说,他是纳米相材料科学中心(Center for Nanophase Materials Sciences)的工作人员研究科学家,该中心是美国能源部科学办公室(DOE Office of Science)在ORNL的一个用户设施,该研究是在那里进行的。“但在现代计算机中,这些功能发生在不同的位置鈥攁 大脑没有瓶颈。"

即使是今天的超级计算机也有单独的处理和存储位置。通过合并这些功能,神经形态计算机可以帮助跟上随着物联网(IoT)和设备互联在家庭和工作场所变得普遍而变得越来越复杂的指数增长的数据集。它还将大大提高边缘计算的能力,即设备在数据收集现场执行自己的逻辑,而无需向中央服务器或云发送信息的能力。

此外,科学家还没有发现大脑中存储记忆的纳米级结构。众所周知,大脑的大部分区域,如海马体,存储记忆,但海马体中存储记忆的位置以及负责记忆的分子机制仍有很多未知之处。重要的是,细胞膜被忽略为可以编码信息的结构,尽管脂质是膜的主要成分,构成了大脑的大部分。

在纯脂质膜中实现LTP的意外结果将启动对记忆在活的大脑中存储的位置和方式的重新检查。如果神经细胞膜被发现是人类记忆中的一个关键特征,这将为全世界10亿多患有神经系统疾病的人带来新的治疗方法。

Katsaras说:“如果神经生物学家能够在大脑中找到这方面的证据,这可能会对我们理解痴呆症和学习产生巨大影响。”。“重要的是,该膜可以为对靶向蛋白质的药物无反应的脑疾病提供新的治疗靶点。”

本研究中使用的纳米级系统通过将两个微米大小的脂质包裹的水滴聚集在油悬浮液中来创建人造膜。在两个液滴之间的界面上,形成了一个类似人脑神经元突触细胞膜的脂质双层。

之前的ORNL研究表明,这种生物膜系统能够储存电荷,但只能储存很短的时间。在这项新的研究中,LTP的存在意味着,这种软材料系统如何用于神经形态设备,或者如何作为具有类似特征的固态设备的构建模型,有了新的途径。

科利尔说:“现在,我们已经开始定义在脂质双层膜中诱导LTP的电协议,我们正在准备制作多个纳米级膜相互作用的双端交叉结构,允许执行主动逻辑,而不仅仅是被动存储。”。“现在,我们使用的是单一系统;今后,我们需要学习如何将它们连接在一起。”

除了与神经生物学家合作探索这一发现的生物医学意义外,未来生物膜系统的神经形态计算工作还将包括模拟和使用ORNL在中子和计算方面的领先设施。

科利尔说:“我们所看到的是偶然的发现,这些发现来自于在大流行期间进行的好奇心驱使的研究。”。“但这对神经形态计算来说是一个重要的发现。我们不知道这将如何运作,但这是有趣的部分。”

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