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新型纳米级忆阻器诞生:可实时处理神经活动数据

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环球创新智慧

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忆阻器芯片(图片来源于:南安普敦大学)

引言

监测神经细胞活动,可使人类更好地了解神经科学和治疗神经系统疾病,是一项比较前沿的科学。但是,实时采集和处理神经数据,对于设备的带宽、功耗和计算能力都有着严苛的要求。然而,英国南安普敦大学的研究人员展示了一种称为“忆阻器”的纳米级器件,很好地满足了以上要求。

忆阻器简介

忆阻器,英文名 “Memristor” 是英文 Memory(记忆)和 Resistor(电阻)两个词的混成词,顾名思义它和记忆以及电阻都有关系,最早提出忆阻器概念的人,是任教于美国柏克莱大学的华裔科学家蔡少棠,时间是 1971 年。蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外,应该还有一种组件,代表着电荷与磁通量之间的关系。

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概念上对称的电阻、电容、电感和忆阻器

(图片来源于:维基百科)

这种组件的电阻会随着通过的电流量而改变,而且就算电路断电,电流停止了,它的电阻值仍然会被保留,直到到有反向电流通过它才会返回原状。

忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值,如果把高阻值定义为“1”,低阻值定义为“0”,这种电阻就可以实现存储数据的功能。

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惠普实验室设计的忆阻器

(图片来源于:维基百科)

监测神经细胞活动的研究瓶颈

监测神经细胞活动,是神经系统科学和开发神经义肢技术等基于神经活动的生物医学工程设备的基础。然而,这项研究存在一个由来已久的问题,就是需要设备能够实时处理神经数据,这样对于带宽、能量和计算能力都有着很严苛的要求。

新型纳米级忆阻器

由英国南安普敦大学主导的一项新研究,演示了新型纳米级“忆阻器”设备,可应用于使用大脑电信号治疗疾病的植入物。南安普顿大学的研究生、研究的领导作者Isha Gupta说道,“我们的研究通过构建必要工具以更有效地方式解读大数据,对于进一步提高对于神经科学、开发神经义肢技术和生物电子药物的认识作出了显著贡献。”

在发表在《自然通信》杂志上的论文中,研究人员展示了忆阻器可以提供实时的神经信号处理(脉冲事件),进行有效的数据压缩,满足了监测神经细胞活动的各种严苛要求,从而促进开发更加精确和廉价的神经义肢技术和生物电子药物。

具体原理简介

这种设备是一种纳米级的记忆性集成传感器(MIS),记录一列些的电压时间样本,以代表神经元的电活动。就像大脑中的突触一样,这种金属氧化物的MIS能够通过多电极阵列, 记录编码和压缩(达200倍的)脉冲神经活动。除了解决了带宽限制问题,这个方案在功率方面也是十分高效的,和目前最佳的实践方案相比,每个记录通道所需要的电力只有不到百分之一。

研究的意义

研究的合著者、纳米电子学的读者和英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)的成员、南安普顿大学的电子和计算机科学系博士Themis Prodromakis,认为:

“我们感到十分兴奋,因为成功地展示了这些新型纳米设备,尽管架构相当简单,拥有超级丰富的力学特性,超越了一般的存储应用,可以解决在扩展神经接口超过1000个记录通道时所面临的带宽和功耗限制问题。”

参考资料

【1】Isha Gupta et al. Real-time encoding and compression of neuronal spikes by metal-oxide memristors, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms12805

【2】http://phys.org/news/2016-09-link-bioelectronic-medicines.html

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Memristor



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