De eiwitmemristor van Fu et. al. (afb: UMass)

Al zo’n tien jaar geleden werd gehoopt dat er kunstmatige intelligentiesystemen zouden kunnen worden gemaakt op basis van zogeheten memristors (geheugentransistoren) die zouden lijken op de manier waarop we denken dat onze hersens werken. Grote probleem was de hoge spanning die die geheugentransistoren nodig zouden hebben: 1 V tegen 80 mV waarmee hersencellen werken. Het lijkt er op dat onderzoekers van de universiteit van Massachusetts in de vorm van eiwitnanodraden, die gefabriceerd worden door de bacterie Geobacter.
Al een tijdje wordt er gewerkt aan een systeem van memristors om rekensystemen te ontwikkelen die gebaseerd waren op onze ideeën over hoe hersenen werken. In dit verband wordt dan de term neuromorf gebruikt. Onderzoekers in Amherst hebben ontdekt hoe je eiwitdraden kunt gebruiken om een neuromorfe memristor te maken. Die werkt bij weinig energie net als onze eigen hersencellen.

Tianda Fu legt uit dat die nanodraden zijn gemaakt met behulp van microbioloog Derek Lovely, een collega van hem in Amherst. Zijn baas Jun Yao stelt dat het voor het eerst is dat een element presteert op hetzelfde lage spanningsniveau van een hersencel. “Mensen durfden zelfs niet te dromen dat het eens zou lukken, maar nu hebben we het bewijs dat het werkt op hetzelfde energieniveau als in de hersens.”
Volgens Lovely hebben de draden van de Geobacter veel voordelen boven dure siliciumdraden. Die moeten gemaakt worden met behulp van giftige stoffen en een hoop energie. Die eiwitdraden zijn bovendien stabiel in water en in lichaamsvloeistoffen. Dat laatste is een belangrijk punt bij biomedische toepassingen.

Yao en Fu experimenteerden met die, gezuiverde, draden. Wat is de elektrische geleiding, bijvoorbeeld. De combinatie met metaal was ook interessant. Die eiwitdraden bevorderen de reductie van het metaal, waardoor de reactiviteit van het metaalion verandert evenals de elektronoverdrachteigenschappen. Volgens Lovely is dat niet verrassend aangezien bacteriële nanodraden op die manier aan hun energie komen (net als wij zuurstof ademen).
Het aan- en uitzetten van de elektrische pulsjes verandert de eigenschappen van het metaal in de memristor, legt Yao uit. Er ontstaan nieuwe verbindingen net zoiets als in de hersens gebeurt tijdens het leerproces. “Je kunt de geleidbaarheid moduleren of de plasticiteit van de nanodraad/memristorsynaps. Het zijn de biologische componenten van een op hersens geïnspireerd rekentuig. In vergelijking met een conventionele computer heeft dit systeem geen programmatuur nodig (die de werking van de hersens nabootst; as).”

Niet best

Fu verklapt dat het in het begin allemaal niet zo best uit zag, maar genoeg om door te gaan.  Tot op een zekere dag. “Toen zagen we de grote voorstelling. We keken naar de computer terwijl de spanningsverandering werd gemeten. Die ging steeds verder omlaag en we zeiden tegen elkaar: Tjee, dat gaat werken. Dat was heel verrassend en bemoedigend.”

Ze gaan nu verder met het onderzoeken van alle mogelijkheden van nanodraden van eiwitten in een memristor, zowel chemisch, biologisch als elektronisch. Fu speculeert dat er misschien iets te doen is om hiermee de hartslag te meten. Yao: “Het is mogelijk dat dit systeem zou kunnen communiceren met echte neuronen in biologische systemen.” Ik geloof het graag, maar hoe zit het nou met de mogelijkheden van deze eiwitdradenmemristor een ki-systeem te maken?

Bron: EurekAlert