僅在10年前，致力于他們希望開啟神經(jīng)形態(tài)計算新領(lǐng)域的科學(xué)家只能夢想使用一種稱為憶阻器的微型工具，該工具可以像真實的腦突觸一樣運(yùn)作/操作。

但是現(xiàn)在，馬薩諸塞州大學(xué)阿默斯特分校的一個團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了在更好地理解蛋白質(zhì)納米線的過程中，如何使用這些導(dǎo)電的生物細(xì)絲制成神經(jīng)形態(tài)憶阻器或“記憶晶體管”裝置。它像大腦一樣，以非常低的功率非常有效地運(yùn)行，以在神經(jīng)元之間傳遞信號。詳細(xì)信息在《自然通訊》中。

作為第一作者傅天大，博士。解釋說，電氣和計算機(jī)工程的候選人是神經(jīng)形態(tài)計算的最大障礙之一，而且使它似乎無法達(dá)到的原因是，大多數(shù)常規(guī)計算機(jī)的工作電壓都超過1伏，而大腦在大約80伏的神經(jīng)元之間發(fā)送稱為動作電位的信號毫伏-低很多倍。他補(bǔ)充說，今天，經(jīng)過早期實驗的十年之后，憶阻器電壓已經(jīng)達(dá)到了與傳統(tǒng)計算機(jī)相似的范圍，但要達(dá)到這一水平似乎是不可能的。

Fu報道說，他使用了微生物學(xué)家和合著者Derek Lovely的UMass Amherst細(xì)菌由Geobacter細(xì)菌開發(fā)的蛋白質(zhì)納米線，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行了憶阻劑達(dá)到神經(jīng)學(xué)電壓的實驗。這些測試是在電氣和計算機(jī)工程研究人員的實驗室中進(jìn)行的，并且是合著者Jun Yao。

姚明說：“這是設(shè)備首次能夠在與大腦相同的電壓水平下工作。人們甚至都不敢希望我們能夠制造出與生物設(shè)備中的生物設(shè)備一樣節(jié)能的設(shè)備。大腦，但現(xiàn)在我們有超低功耗計算功能的現(xiàn)實證據(jù)。這是一個概念突破，我們認(rèn)為它將引起對在生物電壓范圍內(nèi)起作用的電子設(shè)備的大量探索。”

Lovely指出，Geobacter的導(dǎo)電蛋白納米線比昂貴的硅納米線具有許多優(yōu)勢，后者需要有毒的化學(xué)物質(zhì)和高能量的工藝才能生產(chǎn)。蛋白質(zhì)納米線在水或體液中也更穩(wěn)定，這是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的重要特征。他補(bǔ)充說，對于這項工作，研究人員將納米線剪除掉細(xì)菌，因此僅使用導(dǎo)電蛋白。

傅說，他和姚明已經(jīng)著手研究純化的納米線，例如，看看它們在不同電壓下的能力。他們嘗試了通過憶阻器中細(xì)小的金屬線發(fā)送的正負(fù)電荷的脈沖開-關(guān)模式，從而創(chuàng)建了一個電子開關(guān)。

他們使用金屬線是因為蛋白質(zhì)納米線有助于金屬還原，改變金屬離子反應(yīng)性和電子轉(zhuǎn)移特性。Lovely說這種微生物能力不足為奇，因為野生細(xì)菌納米線會呼吸并化學(xué)還原金屬，從而以我們呼吸氧氣的方式獲取能量。

姚明解釋說，隨著開關(guān)脈沖在金屬絲中產(chǎn)生變化，在微型設(shè)備中產(chǎn)生了新的分支和連接，該設(shè)備比人的頭發(fā)直徑小100倍。它在真實的大腦中產(chǎn)生類似于學(xué)習(xí)(新連接)的效果。他補(bǔ)充說：“您可以調(diào)節(jié)納米線-憶阻器突觸的電導(dǎo)率或可塑性，以便它可以模擬生物成分進(jìn)行大腦啟發(fā)式計算。與傳統(tǒng)計算機(jī)相比，該設(shè)備的學(xué)習(xí)能力不是基于軟件的。 ”

傅回憶說：“在我們做的第一個實驗中，納米線的性能并不令人滿意，但是足以讓我們繼續(xù)前進(jìn)。”兩年多的時間里，他看到了進(jìn)步，直到最后一天，因為他和姚明的眼睛被計算機(jī)屏幕上出現(xiàn)的電壓測量所吸引。

“我記得那天我們看到了如此出色的性能。我們看著計算機(jī)正在測量當(dāng)前的電壓掃描。它一直在下降，我們互相說，'哇，它在工作。'這是非常令人驚訝和令人鼓舞的。”

Fu，Yao，Lovely及其同事計劃繼續(xù)對該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行更多的機(jī)理研究，并“全面探索憶阻器中蛋白質(zhì)納米線的化學(xué)，生物學(xué)和電子學(xué)”，F(xiàn)u說，以及可能的應(yīng)用，其中可能包括例如，監(jiān)視心率。姚補(bǔ)充說：“這為這種裝置有一天可以與生物系統(tǒng)中的實際神經(jīng)元對話提供了希望。”