Forscher ahmen die Funktionen des Gehirns mit Verbindungen zwischen Graphen und Diamant nach
@GrapheneAgenda
Das Geheimnis hinter den einzigartigen Persönlichkeiten eines Menschen liegt im menschlichen Gehirn. Doch die Frage ist, ob den Menschen bewusst ist, dass es auch die Grundlage für hocheffiziente Computergeräte bilden kann.
Kürzlich haben Wissenschaftler der Universität Nagoya (Japan) gezeigt, wie dies mit Hilfe von Graphen-Diamant-Verbindungen möglich ist, die das Potenzial haben, einige Funktionen des menschlichen Gehirns zu simulieren.
In der Studie wird jedoch versucht, den Grund für den Versuch der Forscher, das menschliche Gehirn zu emulieren, zu analysieren. Heutzutage sind die bestehenden Computerarchitekturen komplizierten Daten ausgesetzt, was ihre Verarbeitungsgeschwindigkeit einschränkt.
Im Gegensatz dazu kann das menschliche Gehirn extrem komplexe Daten wie Bilder mit hoher Effizienz verarbeiten. Daher haben Forscher versucht, "neuromorphe" Architekturen zu entwickeln, die das neuronale Netz des Gehirns simulieren können.
"Synaptische Plastizität" ist ein Phänomen, das für Gedächtnis und Lernen entscheidend ist. Sie ist definiert als das Potenzial von Synapsen (neuronalen Verbindungen), sich als Reaktion auf eine erhöhte oder verringerte Aktivität anzupassen. Forscher haben versucht, einen ähnlichen Effekt mit Hilfe von Transistoren und "Memristoren" (elektronische Speicherbausteine, deren Widerstand gespeichert werden kann) nachzubilden.
Neu entwickelte lichtgesteuerte Memristoren, so genannte "Photomemristoren", sind in der Lage, sowohl Licht zu erkennen als auch ein nichtflüchtiges Gedächtnis zu besitzen, das dem menschlichen Sehvermögen und Gedächtnis sehr ähnlich ist. Diese herausragenden Eigenschaften haben den Weg für eine völlig neue Welt von Materialien geebnet, die als künstliche optoelektronische Synapsen dienen können.
Dies hat Forscher der Universität Nagoya dazu inspiriert, Graphen-Diamant-Verbindungen zu entwickeln, die die Eigenschaften biologischer Synapsen und die wichtigsten Gedächtnisfunktionen simulieren können und so den Weg für bildsensorische Speichergeräte der nächsten Generation ebnen.
Unter der Leitung von Dr. Kenji Ueda haben die Wissenschaftler optoelektronisch kontrollierte synaptische Funktionen durch die Bildung von Verbindungen zwischen Diamant und vertikal ausgerichtetem Graphen (VG) gezeigt. Die Studie wurde kürzlich in der Zeitschrift Carbon veröffentlicht.
Die hergestellten Verbindungen ahmten verschiedene biologische synaptische Funktionen nach. Zu diesen Funktionen gehört die Erzeugung eines "exzitatorischen postsynaptischen Stroms" (EPSC) - die von Neurotransmittern an der synaptischen Membran erzeugte Ladung - bei Stimulation mit optischen Impulsen. Die Verbindungen zeigen auch andere grundlegende Hirnfunktionen wie die Umschaltung vom Kurzzeitgedächtnis (STM) zum Langzeitgedächtnis (LTM).
Unser Gehirn ist gut gerüstet, um die verfügbaren Informationen zu sichten und das Wichtigste zu speichern. Wir haben etwas Ähnliches mit unseren VG-Diamant-Arrays versucht, die das menschliche Gehirn nachahmen, wenn es optischen Reizen ausgesetzt wird. Auslöser für diese Studie war eine Entdeckung aus dem Jahr 2016, als wir eine große optisch induzierte Leitfähigkeitsänderung in Graphen-Diamant-Verbindungen feststellten.
Dr. Kenji Ueda, Korrespondierender Autor der Studie, Graduate School of Engineering, Universität Nagoya
Zusätzlich zu EPSC, LTM und STM zeigen die Verbindungen auch eine Paired-Pulse-Facilitation von 300 %, d. h. einen Anstieg des postsynaptischen Stroms, wenn eine vorangegangene Synapse unmittelbar vorausgegangen ist.
Die VG-Diamant-Arrays zeigten Redox-Reaktionen, die durch blaue LEDs und Fluoreszenzlicht unter einer Vorspannung ausgelöst wurden. Das Team führte dies auf das Auftreten von hybridisierten Kohlenstoffen aus Diamant und Graphen an der Verbindungsstelle zurück, was zu einer Ionenwanderung als Reaktion auf das Licht führte und die Verbindungsstellen in die Lage versetzte, lichtempfindliche und lichtempfindliche Funktionen auszuführen, ähnlich denen der Netzhaut und des Gehirns.
Außerdem übertrafen die VG-Diamant-Arrays die Leistung herkömmlicher lichtempfindlicher Materialien auf der Basis seltener Metalle in Bezug auf strukturelle Einfachheit und Lichtempfindlichkeit.
Unsere Studie ermöglicht ein besseres Verständnis des Funktionsmechanismus hinter dem künstlichen optoelektronischen synaptischen Verhalten und ebnet den Weg für optisch steuerbare, das Gehirn nachahmende Computer mit besseren Informationsverarbeitungsfähigkeiten als die bestehenden Computer.
Dr. Kenji Ueda, Korrespondierender Autor der Studie, Graduate School of Engineering, Universität Nagoya
Literaturhinweis:
Mizuno, Y., et al. (2021) Optoelectronic synapses using vertically aligned graphene/diamond heterojunctions. Carbon https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.060
Quelle:
https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38100