Un nouveau dispositif électronique développé à l'Université du Michigan peut modéliser directement les comportements d'une synapse, qui est une connexion entre deux neurones.

Pour la première fois, la façon dont les neurones partagent ou rivalisent pour les ressources peut être explorée dans le matériel sans avoir besoin de circuits compliqués.

"Les neuroscientifiques ont fait valoir que les comportements de compétition et de coopération entre les synapses sont très importants. Nos nouveaux dispositifs memristifs nous permettent de mettre en œuvre un modèle fidèle de ces comportements dans un système à l'état solide, " dit Wei Lu, U-M professeur de génie électrique et informatique et auteur principal de l'étude en Matériaux naturels .

Les memristors sont des résistances électriques à mémoire, des dispositifs électroniques avancés qui régulent le courant en fonction de l'historique des tensions qui leur sont appliquées. Ils peuvent stocker et traiter des données simultanément, ce qui les rend beaucoup plus efficaces que les systèmes traditionnels. Ils pourraient activer de nouvelles plates-formes qui traitent un grand nombre de signaux en parallèle et sont capables d'un apprentissage automatique avancé.

Le memristor est un bon modèle pour une synapse. Il imite la façon dont les connexions entre les neurones se renforcent ou s'affaiblissent lorsque des signaux les traversent. Mais les changements de conductance proviennent généralement de changements dans la forme des canaux de matériau conducteur à l'intérieur du memristor. Ces canaux et la capacité du memristor à conduire l'électricité ne pouvaient pas être contrôlés avec précision dans les appareils précédents.

Maintenant, l'équipe U-M a fabriqué un memristor dans lequel ils maîtrisent mieux les voies conductrices. Ils ont développé un nouveau matériau à partir du bisulfure de molybdène semi-conducteur, un matériau "bidimensionnel" qui peut être découpé en couches de quelques atomes d'épaisseur. L'équipe de Lu a injecté des ions lithium dans les interstices entre les couches de bisulfure de molybdène.

Ils ont découvert que s'il y a suffisamment d'ions lithium présents, le sulfure de molybdène transforme sa structure réticulaire, permettant aux électrons de traverser le film facilement comme s'il s'agissait d'un métal. Mais dans les zones avec trop peu d'ions lithium, le sulfure de molybdène restaure sa structure réticulaire d'origine et devient un semi-conducteur, et les signaux électriques ont du mal à passer.

Les ions lithium sont faciles à réorganiser au sein de la couche en les faisant glisser avec un champ électrique. Cela modifie peu à peu la taille des régions conductrices de l'électricité et contrôle ainsi la conductance de l'appareil.

« Parce que nous modifions les propriétés « en vrac » du film, le changement de conductance est beaucoup plus progressif et beaucoup plus contrôlable, " dit Lu.

En plus d'améliorer le comportement des appareils, la structure en couches a permis à l'équipe de Lu de relier plusieurs memristors entre eux grâce à des ions lithium partagés, créant ainsi une sorte de connexion que l'on trouve également dans le cerveau. La dendrite d'un seul neurone, ou son extrémité de réception de signal, peut avoir plusieurs synapses le reliant aux bras de signalisation d'autres neurones. Lu compare la disponibilité des ions lithium à celle d'une protéine qui permet la croissance des synapses.

Si la croissance d'une synapse libère ces protéines, appelées protéines liées à la plasticité, d'autres synapses à proximité peuvent également se développer - c'est la coopération. Les neuroscientifiques ont fait valoir que la coopération entre les synapses aide à former rapidement des souvenirs vivants qui durent des décennies et à créer des souvenirs associatifs, comme un parfum qui vous rappelle la maison de votre grand-mère, par exemple. Si la protéine est rare, une synapse se développera au détriment de l'autre - et cette compétition réduit les connexions de notre cerveau et les empêche d'exploser avec des signaux.

L'équipe de Lu a pu montrer ces phénomènes directement à l'aide de leurs dispositifs à memristor. Dans le scénario de compétition, les ions lithium ont été évacués d'un côté de l'appareil. Le côté avec les ions lithium a augmenté sa conductance, imiter la croissance, et la conductance de l'appareil avec peu de lithium était rabougrie.

Dans un scénario de coopération, ils ont fait un réseau memristor avec quatre appareils qui peuvent échanger des ions lithium, puis siphonné des ions lithium d'un appareil vers les autres. Dans ce cas, non seulement le donneur de lithium pourrait augmenter sa conductance - les trois autres appareils pourraient aussi, bien que leurs signaux n'étaient pas aussi forts.

L'équipe de Lu construit actuellement des réseaux de memristors comme ceux-ci pour explorer leur potentiel pour le calcul neuromorphique, qui imite les circuits du cerveau.