Simulering av synaptisk kortvarig plastisitet med användning av ba (cf3so3) 2-dopad polyetenoxidelektrolytfilm | vetenskapliga rapporter

Simulering av synaptisk kortvarig plastisitet med användning av ba (cf3so3) 2-dopad polyetenoxidelektrolytfilm | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Elektroniska egenskaper och material
  • Informationslagring

Abstrakt

Simuleringen av synaptisk plasticitet med hjälp av nya material är kritisk i studien av hjärninspirerad datoranvändning. Enheter sammansatta av Ba (CF3S03) 2- dopad polyetylenoxid (PEO) elektrolytfilm tillverkades och med pulsrespons som visade sig likna den synaptiska kortvariga plasticiteten (STP) för både kortvarig depression (STD) och kort- termfaciliteter (STF) synapser. Värdena på laddnings- och urladdningstopparna för pulssvaren varierade inte med ingångsnumret när pulsfrekvensen var tillräckligt låg (~ 1 Hz). Men när frekvensen ökades minskade laddnings- och urladdningstopparna respektive i gradvisa trender och närmade sig stabila värden med avseende på ingångsnumret. Dessa stabila värden varierade med ingångsfrekvensen, vilket resulterade i de nedtryckta och förstärkta viktmodifieringarna av laddnings- och urladdningstopparna. Dessa elektriska egenskaper simulerade de höga och låga bandpassfiltreringseffekterna av STD respektive STF. Simuleringarna överensstämde med biologiska resultat och motsvarande biologiska parametrar extraherades framgångsrikt. Studien verifierade genomförbarheten av att använda organiska elektrolyter för att efterlikna STP.

Introduktion

Hjärnliknande beräkning studeras över hela världen för att undertrycka Moore-principens begränsningar och för att konstruera ny datateknik 1, 2, 3 . Bestämningen av element som har synapliknande beteenden är en kraftfull och effektiv väg att uppnå detta mål. Forskare har funnit många material och apparater som efterliknar synaptisk plasticitet, inklusive konventionella inlärningsprotokoll, såsom Hebbisk inlärningsregel, spikfrekvensberoende plastisitet (SRDP), spik-timing-beroende plasticitet (STDP), långsiktig plasticitet (LTP) ) och kortvarig plasticitet (STP) 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 . Men ett materialsystem som kan fungera som elementenheten i synapsen i konstgjorda neuromorfiska kretsar har ännu inte hittats. Således har mycket forskning undersökt nya material med beteenden som närmar sig de som är biosynaps.

Nyligen har system som består av organiska material fångat forskarnas uppmärksamhet eftersom de har fysiska och kemiska egenskaper som är jämförbara med biologiska system. I en nanopartikel-dopad organisk fälteffekttransistor (OFET) användes laddnings / urladdningsmekanismen för en nanopartikel-dopad halvledande polymer 8 för att simulera excitatorisk post-synaptisk ström (EPSC) -liknande svar och STP-liknande 15, 16, 18 beteende under ett frekvensberoende pulsläge. Jonisk migration i joniska / elektroniska hybridsystem användes först av Lai et al. att få EPSC-liknande svar och STDP-inlärningsprotokoll 10 . Dessutom uppvisade en dubbelskiktsanordning sammansatt av en halvledande polymer och en Li-dopad elektrolyt frekvensselektivitet, liknande den för biosynaps som är beroende av jonmigration på ytan; enheten svarade med depression på lågfrekvensstimulering (LFS) och med förstärkning till högfrekvensstimulering (HFS) 20 . Eftersom plastisiteten hos bio-synapser direkt involverar det joniska flödet som korsar cellmembranet, antyder den joniska kinetiken i antingen organiska material eller gränssnitt därav stor mångsidighet vid simulering av synaptisk plasticitet 9, 20, 21, 22, 23, 24 . Valet av vissa dopningsarter i konstgjorda organiska material kan tillhandahålla ett system som ungefärligt beteende och tidkonstanter för verkliga bio-synapser.

Bland många synaptiska plasticitetsegenskaper 15, 16, 17, 23 är STP 15, 16, 18, som fungerar som ett filtersystem vid biologisk signalöverföring, avgörande för att stödja nervoperationer 16 . Studier som använder memristive system har emellertid inte fokuserat på den här egenskapen, med undantag för den som involverar en nanopartikel-dopad halvledande polymer 8 och en annan med Ti- 2- memristor 19 med fast tillstånd. I formerna och definitionerna av kortbortfiltrering med hög bandpasspassning (STD) 16, kortbortfiltrering med kort bandpassning (STF) och mellanläget mellan dessa förhållanden kännetecknas STP av viktförändrade EPSC: er 25, 26 och kontrolleras av antalet effektiva frisättningsplatser för neurotransmitter och koncentrationen av

i pre-synapsen 16, 18, 27 . Dessutom varierar STP gradvis med frekvens, viktändringshistorik och en uthållighetstid på hundratals millisekunder 15 . Till skillnad från långvarig plastisitet (LTP) 17, som har realiserats i flera icke-flyktiga memristor-anordningar 28, har STP sällan uppnåtts i enheter, trots dess utveckling i flera biologiska beräkningsmodeller 27, 29 .

I denna studie tillhandahöll vi en enskikts saltdopad organisk elektrolytfilmanordning med polyetylenoxid (PEO), som lätt kunde tillverkas med storskaliga teknikprocesser. Filmen tjänade som matris, medan Ba ​​(CF3S03) 2 (bariumtrifluormetansulfonat) användes som salt för att simulera den synaptiska driftsprocessen och de typiska bandpassfiltreringsegenskaperna för STP. Ion-dopade organiska elektrolyter är ovanliga inom elektronikområdet, trots de uppenbara fördelarna med att lätt växla och blanda joner. Bao (CF3S03) 2- dopad PEO svarade gradvis på mättnad med pulsnummer, och viktmodifieringarna för laddningstopparna skilde sig från dem för de urladdande topparna, vilket indikerar distinkta bandpassfiltreringseffekter. En biologisk EPSC-modell av STP föreslagen i neurovetenskap 27 antogs för att analysera anordningens pulsrespons; karakteristiska parametrar extraherades som var jämförbara med de för bio-synapser.

metoder

PEO (molekylvikt = 100000) och Ba (CF3S03) 2 köptes från Sigma-Aldrich Co. Ltd. och användes som utan ytterligare rening. PEO löstes i H20 för att bilda en 0, 4 viktprocent lösning med Ba (CF3S03) 2 tillsatt i det molförhållandet 1:32 med PEO-monomeren 20, 21 . Efter upplösning droppades 3 mikroliter av Ba (CF3S03) 2 -PEO-upplösningen på ett Pt-avsatt Si-substrat och bakades vid 100 ° C i 20 minuter innan det kyldes till rumstemperatur i en N2-fylld handskbox . Slutligen avsattes ett 70-nm-tjockt skikt av Pt-elektroder med 300 mikrometer i diameter på substratet genom avsättning av elektronstrålar. Tjockleken på Ba (CF3S03) 2- dopad PEO-film var cirka 0, 6 um (fig. S1). De elektriska egenskaperna undersöktes med en halvledaranalysanalysator (Agilent B1500A) och en godtycklig funktionsgenerator (Agilent B1530). De direkta spänningsströmegenskaperna (DC) studerades genom att ladda en cirkulär enkelförspänning av 0 V → 2 V → 0 V och en dubbel förspänning av 0 V → 2 V → 0 V → −2 V → 0 V under svephastigheter av 1, 10, 50 och 100 V / s. Pulssvaren studerades genom att ladda ett tåg med rektangulära pulser med 0, 5 Vamplitude, 5 ms pulsbredd och varierade intervaller eller frekvens. Raman-spektra för den rena PEO-filmen och Ba (CF 3 SO 3 ) 2- dopade PEO-elektrolytfilm erhölls med ett HR-800 Raman-system med en upplösning på 1 cm −1 . Excitationskällan var en 532-nm He- Ne laser. Infraröda spektra registrerades med en Vertex 70V Fourier transform-infraröd (FT-IR) spektrometer med en upplösning av 0, 4 cm-1.

Resultat och diskussioner

Strukturell karaktärisering

Den joniska ledningsförmågan hos PEO-baserade elektrolyter tillskrivs jonmigrering genom den amorfa fasen av PEO-matrisen, med fria katjoner som korsar de polymera ryggraden genom komplexation med polära grupper och rörelsen av fria anjoner 30 . Därför är den amorfa fasen i PEO-matrisen, katjon-polymerkomplexationen och fria joner avgörande för elektrolytens konduktivitet. I mikrofotografierna som visas i fig 1 presenterar den rena PEO-filmen (fig la) en sfärulitisk morfologi med dendritiska lameller, som indikerar en normal polykristallin struktur överbryggad av amorfa regioner 31 . Ba (CF3S03) 2- dopad PEO-film (fig. Ib) har en analog sfärulitisk morfologi med mer dunkla dendritiska lamellmönster och korngränser. Detta avslöjar en minskning av lameller och en ökning av amorfa regioner jämfört med strukturen för den rena PEO-filmen, vilket är användbart för den dopade polymerens jonledningsförmåga.

Fotomikrografier av ( a ) ren PEO-film och ( b ) Ba (CF 3 SO 3 ) 2- dopad PEO-film. ( c ) Ramanspektra för rena PEO- och Ba (CF3S03) 2- dopade PEO-filmer. ( d ) FT-IR-spektra för rena PEO- och Ba (CF3S03) 2- dopade PEO-filmer.

Bild i full storlek

Vi undersökte katjon-polymerinteraktioner genom att spektralt övervaka de PEO-ryggradsrelaterade banden motsvarande COC, CH2, CO, CC och OH-grupperna, och undersökte jon-jonföreningarna genom att övervaka bruken (SO 3 ) och 5 s (CF 3 ) band 30, 32 baserat på Raman-spektra och IR-spektra för de rena PEO- och Ba (CF3S03) 2- doterade PEO-filmerna (fig. 1c, d). baserat på Raman- och IR-spektra för de rena PEO- och Ba- (CF3S03) 2- doterade PEO-filmerna (fig. 1c, d). I Raman-spektra (fig. 1c) förskjuts de ryggradsrelaterade banden något och breddas i spektrumet för den dopade PEO-filmen jämfört med topparna i den hos den rena. I synnerhet visar förskjutningen av D-LAM (störning-longitudinell akustisk läge) topp vid 235, 18 cm −1 till 238, 8 cm −1 att katjonerna samverkar med polymerens ryggrader, vilket orsakar förändringar i konformation och amorfi 30 . Ytterligare band vid 1033, 87 cm −1 respektive 756, 99 cm −1 uppvisar förekomsten av fria joner av υs (SO 3 ) och jonpar av δ s (CF 3 ), respektive 32 . I IR-spektrumet för den dopade PEO-filmen, jämfört med det för den omodifierade filmen (fig. 1d), visar bandet på 1031.87 cm −1 förekomsten av υ s (SO 3 ) fria joner 32, medan 3485.22 cm −1 bredband som korrelerar med OH-sträckningsvibrationer indikerar katjon-polymerinteraktioner 33, 34 . 638, 41 cm-1-bandet i fingeravtrycksområdet visar ett mönster unikt för strukturen 33, 34 . Enligt denna strukturanalys resulterar konduktiviteten hos Ba (CF3S03) 2- dopad PEO-film från jonvandring genom katjon-polymerinteraktioner och partiella fria anjoner, som begränsar den elektriska överföringshastigheten och minskar hastigheten för elektrisk migration. Således beror de makroskopiska elektriska egenskaperna på det yttre fältets läge och historik, vilket orsakar uppkomsten av synaptisk plasticitet.

Elektriska egenskaper: DC-läge och pulsläge

I DC-svepningsläget sammanfaller inte de aktuella vägarna som varierar längs det yttre fältet ( E ex ) förspänningscyklerna, och bildar sedan felaktiga hysteresslingor (fig. 2a och S2). Detta liknar resultat med oorganiska memristorer 35 . När du laddar enstaka förspänningar (fig. 2a) förskjuts sling-sekvenserna sekventiellt nedåt. Längs slingan ökar strömmen med den främre förspänningen, innan den minskar med bakåtförspänningen genom en lägre strömbana. Den aktuella vägen kommer sedan in i området med negativt laddade strömmar vid en viss spänningströskel och når ett maximum vid 0V. Detta fenomen visar migration och ansamling av Ba2 + och CF3S03-joner vid elektrode / elektrolytgränssnittet under de främre förspänningarna, samtidigt som de bildar polarisationsskikt med ett inverterat inre fält ( E in ) 36 . E in kompenserar sedan gradvis E ex , vilket resulterar i negativa strömmar som balanserar jonfördelningen. Eftersom den mest olikformiga jonfördelningen sker vid 0 V (med den maximala negativa strömmen och E in ), bör E ex från följande förspänningscykel övervinna den reserverade E in . Därför förskjuts hysteresslingorna ner och närmade sig ett stabilt slingtillstånd av jonisk kinetisk balans. När du laddar dubbla förspänningar (Fig. 2b) expanderas de på varandra följande hysteresslingorna gradvis, vilket antyder att den negativa förspänningen inte bara balanserar de olikformiga polarisationsskikten i Ba 2+ och CF 3 SO 3 - utan också skapar ett inverterat polariserat fält att tillhandahålla en E med samma orientering som den positiva förspänningen. De smalare hysteresslingorna genererade vid svepningshastigheter med lägre spänning antyder en starkare restriktiv E i polarisationsskikten, orsakad av det mer effektiva svaret från Ba2 + och CF 3 SO 3- jonerna till E ex (fig. S2). Sammantaget bekräftar beteendet i DC-läge den joniska kinetiken för den PEO-baserade elektrolyten.

( a ) På varandra följande enskilda förspänningar på 0 V → 2 V → 0 V

.

applicerades på anordningen under fem cykler. ( b ) På varandra följande dubbla förspänningar på 0 V → 2 V → 0 V → −2 V → 0 V

.

applicerades på anordningen under fem cykler.

Bild i full storlek

Den elektriska karaktäriseringen med DC-läge föreslog att enheten svarade beroende på laddningshistoriken. Det delar en likhet med signalhanteringen av informatik och plastisitetsstudier inom neurovetenskap, som testades under rektangulära pulserande lägen. Således antog vi samma testmetod för att undersöka den exakta jämförbarheten med vår enhet. I fig. 3a i LFS-pulsmodskisser visas en laddningstopp (Di) vid pulsfronten och avtar gradvis till ett stabilt strömvärde inom pulslängden. En urladdningstopp (F1) visas vid pulsänden och avtar gradvis till noll. Speciellt är D2 och F2 i fig. 3a identiska med Di respektive F1, liksom laddnings- och urladdningskurvorna (fig. 3b). Detta visar tillståndets återställningscykler mellan lastpulser. Emellertid, när intervallet mellan på varandra följande pulser är tillräckligt kort, såsom i HFS som visas i fig. 3c, förfaller inte Ri till noll vid nästa pulsfront; följande pulsperiod börjar med ett modifierat tillstånd av minskad D2 och ökad F2, liksom laddnings- och urladdningskurvorna (fig. 3d). F1 krävde en fullständig sönderfallsperiod på 0, 52 s för att åstadkomma ett återställt tillstånd av noll för följande belastningspulser. Dessutom visas inte den flyktiga effekten, inte ens när belastningspulsfrekvensen närmar sig gränsen på 142 Hz (Fig. S3).

Rektangulära pulser appliceras med amplituden 0, 5 V och varaktigheten 5 ms. Ett pulståg laddas för att testa frekvensresponsen för filmen. D i och F i laddar respektive avger toppar för den första pulsen. ( a ) Under 1 Hz pulsfrekvens förblir D i och F i sekvenser konstant med pulsnumret. (1) Den initiala elektriska neutrala regionen (ENR) resulterar i D 1 . (2) Den joniska polära regionen (IPR) inducerar F1. (3) Den fullständigt återhämtade ENR orsakar D2 = D 1 . (4) IPR av samma storlek inducerar F2 = F 1 . ( b ) Laddnings- och urladdningskurvorna för de första tio pulsresponserna under 1 Hz. ( c ) Under 142 Hz pulsfrekvens (HFS) minskade Di och Fi ökade med ökande i . (1) Den initiala elektriska naturliga regionen (ENR) resulterar i D 1 . (2) Den joniska polära regionen (IPR) inducerar F1. (3) Den delvis återhämtade ENR resulterar i D 2 <D 1 . (4) Den större IPR som bildas av den delvis förfallna ENR genererar F2> F 1 . ( d ) Laddnings- och urladdningskurvorna för de första tio pulssvaren vid 142 Hz.

Bild i full storlek

Vid jämförelse av den allmänna kondensatorn och motståndet var svarets form på vår anordning lik den för R // C-anordningen, men med ett ytterligare tillståndsmodifieringsfenomen i HFS som inte hittades i den allmänna R // C-anordningen (Fig. S4 ). När vi letade efter anslutningar med kapacitanseffekter monterade vi laddnings- / urladdningskurvorna och fann att de passar R / C-laddnings- / urladdningsekvationerna väl, med modifiering av två kapacitanstermer av formen A * exp (−t / (tabell 1). Tidskonstanterna τ 1 och τ 2 var nästan lika mellan 1 Hz-pulssvaret och det första svaret vid 142 Hz. De minskade emellertid båda med ökande pulsantal vid 142 Hz i laddningskurvorna, men ökade i urladdningskurvorna. Detta innebar stora påverkningar av jonparets kinetik (Ba 2+ och CF 3 SO 3 - ) på anordningens kapacitansegenskaper, snarare än den elektroniska konduktiviteten med snabba svarsfrekvenser. Den hysteretiska jonledningsförmågan kan vara kärnan i tillståndsmodifieringsfenomenet.

Full storlek bord

Genom att kombinera de joniska kinetikresultaten som erhölls under DC-läge tycktes konduktiviteten och jonfördelningarna hos vår anordning uppleva en process under pulseringsläge enligt följande. Ursprungligen var den joniska fördelningen i Ba (CF3S03) 2- dopad PEO enhetlig, vilket skapade ett elektriskt neutralt område (ENR) utan polaritet (tillstånd märkta (1) i fig. 3a, c). När ett tåg med rektangulära pulser laddades inträffade D1 på grund av den E- utlösade bärinjektionen. Under tiden inträffade de riktade migrationerna av fria katjoner och anjoner, och bildade ett joniskt polärt område (IPR) tillsammans med E i (tillstånd märkta (2) i fig. 3a, c) 36 . E: n screenade delvis den E- utökade jonmigreringen, vilket orsakar det aktuella sönderfallet under hela pulslängden. När pulsen avslutades utlöste den IPR-relaterade E in den omvända urladdningstoppen F1 och det tillbaka-diffunderande jonflödet. Det senare försvagades av gradvis IPR-förfall.

Ovannämnda tillbaka-diffunderande jonflöde varierade beroende på pulsfrekvensen. I LFS (fig. 3b) återvanns både katjoner och anjoner i PEO-matrisen helt till det initiala tillståndet under pulsintervallet, vilket resulterade i fullständigt återhämtad ENR och fullständigt förfallen IPR (tillstånd märkt (3) i fig. 3a). Således var den omedelbara bärarinjektionen D2 som framkallades av E ex från den andra pulsen lika med Dl. Under tiden var F2 lika med F1 eftersom E- extrigerad jonisk relaxation skapade en lika stor IPR som den som bildades i tillstånd (2) (tillstånd märkt (4) i fig. 3a). När frekvensen ökades (fig. 3c) kunde jonfördelningen inte helt återgå till det initiala tillståndet, eftersom pulsintervallet var otillräckligt. Detta genererade en delvis återhämtad ENR och en återstående IPR (tillstånd (3) i fig. 3c). Således var D2 ett motverkande resultat av det andra E ex och E in från den återstående IPR, vilket orsakade D2 <D1. Dessutom förbättrades IPR under den andra pulsvaraktigheten genom den E- utökade joniska koncentrationspolarisationen, varigenom den blev bredare än den som framkallar F1, så F2> F1 (tillstånd (4) i Fig. 3c).

Resultaten i fig. 3 föreslog också att både laddnings- och urladdningstopparna Di och Fi är funktioner för pulsnumret i och pulsfrekvensen. Vi kan beräkna viktmodifieringarna med formlerna W , f (D) = I (D i, f ) / I (D 1, f ) och W i, f (F) = I (F i, f ) / I (F 1, f ). Här betraktar vi de första pulsresponserna för antingen I (D1 , f ) eller I (F1 , f ) som baslinjevärden, eftersom de är oförändrade efter tillräckliga intervall mellan två enskilda pulser. Figur 4 visar viktmodifieringarna av Di och Fi-sekvenser under pulsläget. Värdena för Di och F i monotoniskt minskade respektive ökade med pulsnummer. När frekvensen var lägre än 80 Hz stabiliserades värdena för Di och Fi efter ett tåg på 40 pulser. När frekvensen överskred 80 Hz var de inte mättade när pulståget slutade. Viktigt är att viktamplituden för Di inte matchar den hos Fi. Detta kan antyda potentialen för dubbelriktad signalöverföring, även om relaterade arbeten inte hittades bland de tillgängliga neurovetenskapliga referenserna.

( a ) Viktmodifieringarna av Di mot pulsnummer vid olika frekvenser: W , f (D) = I (D i, f ) / I (D1 , f ). Inset visar EPSC: er av klättringsfiber (CF) under HFS, vilket minskar med ökande pulsnummer 27 . ( b ) Viktmodifieringarna av Di mot frekvens efter ett tåg på 40 pulser laddas; insats visar de för CF: 27 W , n, f (D) = I (Dn , f ) / I (D1 , f ), n = 40 . ( c ) Viktmodifieringarna av Fi mot pulsnummer vid olika frekvenser: W , f (F) = I (Fi , f ) / I (F1 , f ). Inset visar EPSC: er av parallellfiber (PF) under HFS 27 . ( d ) Viktmodifieringar av Fi kontra frekvens efter att ett tåg på 40 pulser laddats; inlägget visar PF: 27 W n, f (F) = I (Fn , f ) / I (F1 , f ), n = 40 . ( e ) En uppsättning Di och Fi genererad av ett pulspaket som innehåller flera frekvenser. Resultaten från de två olika enskilda anordningarna testades under samma testperiod och uppvisade liknande viktmodifieringsnivåer. Insatser visar EPSC-variationer av CF och PF i ett pulspaket som innehåller flera frekvenser 16 .

Bild i full storlek

Intressant nog fann vi att viktmodifieringarna av D och Fi var jämförbara med de som beräknades från EPSC: er för klättrings- och parallellfiber-synapserna till Purkinje-cellen, (CF) respektive (PF), 27 (fig. 4a – d) och insatser). Den förstnämnda fungerar som lågbandpassfilter för STD, medan den senare fungerar som högbandpassfilter för STF under HFS. Eftersom neurala system vanligtvis tar emot signalpaket sammansatta av stimulationer vid olika frekvenser 16 (fig. 4e inlagd), valde vi slumpmässigt flera ingångar för att undersöka enhetssvaren, såsom visas i fig. 4e. De resulterande viktmodifieringarna varierade i samma trend som de i Fig. 4a – d och var jämförbara med STD och STF för bio-synapser (Fig. 4e insatt). Detta antydde att antingen laddnings- eller urladdningstopparna av Ba (CF3S03) 2- dopade PEO-filmen skulle kunna användas för att härma STP för bio-synapser.

Vi testade 200 filmapparater; 95% visade ovannämnda elektriska egendom. Även om nivån på viktmodifieringsfenomenet påverkades av miljöfaktorer som brus och fukt, tillät tester av enheterna under ungefär samma tidsperiod försumbara miljövariationer. Testresultaten var nästan identiska både mellan olika anordningar och över flera tester av en enda anordning (fig. 4e), vilket återspeglade de inre egenskaperna hos materialen och anordningarna.

Simuleringen av STD och STF

Enligt de elektroniska analogierna i figurerna 3 och 4 använde vi den biologiska EPSC-modellen av STP 27 (ekvation (1) och (2)) på vår anordning för att undersöka analogierna i jonisk kinetik och skapa en mikroskopisk grund för att efterlikna STP. I neurala system uppnås och överförs signalöverföringsprocessen av tillståndet för pre-synapsen, bestående av antalet effektiva frisättningsställen och Ca 2+ -flödet 15, 16, 18, 27, 37 . När pre-synapsen ger stimuleringståg genererar Ca 2+ -flödet antal frisläppskläda platser bland de effektiva platserna, vilket frigör neurotransmittorer och framkallar EPSC: erna för post-synapsen. De släppfärdiga platserna blir övergångseffektiva efter frisättningsprocessen 15, 16, 27 . Under stimulusintervallet återvinner de ineffektiva frisättningsplatserna effektiviteten och Ca 2+ -koncentrationen i försynapsavfallet 15, 16, 27 . För tillfället är kvantitetsnivåerna avgörande för EPSC-variationerna av STP: STD, STF och mellanläget mellan 15, 16 .

Det finns vanliga punkter mellan våra D i / F i- sekvenser i Ba (CF 3 SO 3 ) 2- dopad PEO-elektrolytfilm och STD / STF-fenomenet i bio-synapsen: båda påverkas av återhämtningen (ENR / ineffektiv frisättning platser) och förfall (IPR / Ca 2+ ) nivåer i stimulusintervallet. Med beaktande av CF gör dess höga frisättningsförmåga återhämtningsnivån för ineffektiva frisläppsplatser dominerande till före synapsen 16 . De effektiva utsläppsplatserna i pre-synapsen kan simuleras som ENR i enheten, med EPSC: er simulerade som D i . Följaktligen, under LFS, återvinns de ineffektiva frisättningsställena som är kvar efter frisättning fullständigt under tillräckligt stimulusintervall och kan således generera en EPSC med samma nivå som svar på nästa stimulans 15, 16, 18, 27, som liknar det fullständigt återhämtade ENR genererar en konstant D i . Under tiden skapar den ofullständiga återhämtningsnivån för de ineffektiva frisättningsplatserna, eftersom HFS har otillräckliga stimulusintervall, skapar färre effektiva frisättningsställen för att frigöra och generera mindre EPSC, eller viktminskad STD 15, 16, 18, 27 . Detta liknar den delvis återhämtade ENR som alstrar minskande Di-storlekar i följd.

Å andra sidan, med tanke på PF, förorsakar dess låga frisättningsförmåga att sönderfallsnivån för Ca 2+ dominerar tillståndet i pre-synapsen 16 . Ca 2+, eller de frisläppningsfärdiga platserna som gavs av Ca 2+, i pre-synapsen kan modelleras av IPR i enheten, med EPSC: er som betraktas som F i . Under LFS försvinner mängden Ca 2+ i för-synapsen fullständigt under tillräckligt stimulusintervall, varigenom samma värde upprätthålls efter att Ca 2+ -inflödet utlöst av nästa stimulans har lagts till. Följaktligen erhålls samma antal frisläppningsfärdiga platser med denna mängd Ca 2+, vilket frisätter och framkallar EPSC: er från samevalu 15, 16, 18, 27 . Denna process liknar den fullständigt förfallna IPR som genererar konstant Fi. Omvänt ger den ofullständiga sönderfallsnivån orsakad av det otillräckliga stimulusintervallet i HFS ytterligare Ca 2+ efter nästa stimulusutlösade Ca 2+ -inflöde. Fler frisläpparklädda platser ger sig att frigöra, vilket genererar större EPSC: er, nämligen viktökning STF 15, 16, 18, 27 . Denna process liknar den förbättrade IPR baserat på det delvis förfallna området som genererar ökande F i- värden i sekvens.

Pulsintervallet på 995 ms för 1 Hz-pulståget i vår anordning, som tillät fullständig återhämtning av jonfördelning i PEO-matrisen, var parallell med persistensförmågan hos STP inom hundratals millisekunder 15 . Med hänvisning till den biologiska EPSC-modellen enligt STP 15, 16 :

vi konstruerade viktuttryck för D i och F i sekvenser enligt nedan:

I korthet, eftersom de biologiska EPSC-ekvationerna (1) och (2) har historikbaserade funktioner, är derivatekvationerna (3) och (4) rekursiva funktioner för D i och F i . Karaktäristiska parametrar fD och kD är respektive krympnings- och återhämtningsförhållanden för ENR, som motsvarar f (frisättningsförhållandet) och k ( återhämtningsförhållande) för effektiva frisättningsställen. I D genereras på uppdrag av vikten av D i av max i mum ENR, med I på uppdrag av EPSC, genererad av de maximala effektiva utsläppsajterna. De karakteristiska parametrarna fF och kD är reduktions- och förbättringsförhållandena respektive för IPR, motsvarande f (sönderfallsförhållande) och k (tillströmningsförhållande) av Ca 2 + -orsakade frisättningsklara platser (Ca 2+ ). I F genereras på uppdrag av vikten av F i av max i mum IPR, medan jag genereras av det maximala antalet Ca 2 + -orsakade utsläppsklara webbplatser på uppdrag av EPSC. Detaljerna för den biologiska betydelsen i kontrast till parametrarna visas i tabell 2 15, 16, 27 . Bland parametrarna är fD , kD , fF och kD inom intervallet (0, 1] och är funktioner för frekvens; D1 och F1 är inställda som 1; I D = 1; I F > 1; Di avviker från ID och Fi närmar sig I F (fig. 4 insatt) 15, 16, 27 . Värdena för parametrarna fD, kD, fF, kD och IF erhölls genom f itting ekvationer (3) och (4) till D i och Fi-sekvenserna i fig. 4a, c (tabell 3), varvid jag påverkades av salttypen och saltkoncentrationen i den PEO-baserade elektrolytfilmen, tjockleken av filmen, och djupet till vilket testsonden sattes in på grund av PEO-matrisens elasticitet.

Full storlek bord

Full storlek bord

Variationstrenderna för fD och fF var jämförbara med den biologiska parametern f . Det verkade som att högre pulsfrekvenser korrelerade med större fD- värden. Detta överensstämde med CF: s höga frisättningsförmåga ( f ) för de effektiva frisättningsplatserna som orsakade STD, som växte och agerade mer intensivt vid starkare HFS 15, 16, 27, såsom visas i fig. 4b och insättningen. Tvärtom, högre pulsfrekvenser korrelerade med mindre värden på fF , vilket också överensstämde med PF: s låga frisättningsförmåga ( f ), nämligen den låga reduktionsgraden av Ca 2+ orsakade frisättningsklar, vilket minskade och orsakade mer intensiv STF i starkare HFS 15, 16, 27, såsom visas i fig. 4d och insatsen. Baserat på de karakteristiska parametrarna i tabell 3 överensstämde simuleringsresultaten för ekvationerna (3) och (4) väl med W , f (D) och W , f (F) i fig. 4e som visas i fig. 5, stödjer inte bara passningsresultatet utan genomförbarheten att simulera STP med Ba (CF 3 SO 3 ) 2- dopad PEO-elektrolytfilmanordning.

Bild i full storlek

I synnerhet, enligt den enkelriktade signalöverföringen i neurala system, kan Di och Fi för den ena enhetsenheten inte ses som EPSC: er samtidigt eftersom de har motsatta toppriktningar. I neurala systemliknande enhetsintegrationer som innehåller flera elementära enhetsenheter (eller simulerade synapser) kan sålunda endast svarstopparna som delar toppriktningar betraktas som enkelsimuleringssystem. Med denna begränsning kan vår enhet bara simulera interaktioner mellan STP: er eller STD: er själva, snarare än de däremellan, som biosynapsnätet gör. För att utvidga de framtida tillämpningarna av enhetsintegrering måste sålunda andra anordningar som omvänt manifesterar STF i laddningstoppar och STD i urladdande toppar utformas genom att tillverka olika material i skiktade strukturer 5, 7, 20, 38, 39, 40 . Ur ett annat perspektiv, utan att begränsa topparna till enkelriktade EPSC: er, introducerades idén om "feedbackplastisitet", som illustrerade processen för post-synapsen omvänt överför signaler till pre-synapsen för att hämma frisättningen av frigöringsplatser 16 . Följaktligen kan de motsatta Di- och Fi-signalerna appliceras samtidigt i ett enda simuleringssystem, för antingen EPSC: er eller återkopplingar. Exempelvis kan F betraktas som återkopplingssignalerna och simulera fördjupningen av EPSC: er (D i ). Eftersom feedbackplasticitetsfenomenet ännu inte är väl förstått biologiskt, kan vi emellertid inte veta om de exakta formerna av feedbacksignalerna är identiska med Fi. Därför måste detta biologiska fenomen studeras ytterligare innan det tillämpas på utvecklingen av beräkningsmodeller och simuleringsanordningar.

Slutsatser

Enheter tillverkade av Ba (CF3S03) 2- dopad PEO-film som använder fenomenet intern jonisk relaxationsrelaterad backdiffusion är genomförbara material för att simulera STP 15, 16, 18, 27 . Värdena på laddnings- och urladdningstopparna för pulssvaren varierade inte med ingångsnumret när pulsfrekvensen var tillräckligt låg vid 1 Hz. Topparna minskade eller ökade emellertid gradvis och uppnådde stabila värden med ökade ingångsantal vid ökade frekvenser. Viktmodifieringen, beräknad baserad på dessa stabila värden, varierade med ingångsfrekvensen, vilket resulterade i fördjupning och förstärkning av laddnings- och urladdningstopparna. Enligt dessa elektriska egenskaper simulerade vi STD och STF av två biosyntypstyper, som manifesterade höga bandpassfiltrering respektive låg bandpassfiltreringseffekter. Simuleringarna överensstämde med biologiska resultat och motsvarande biologiska parametrar extraherades framgångsrikt. Vår studie antyder möjligheten till jonberoende simuleringar av STP.

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : Chang, CT et al. Simulering av synaptisk kortvarig plasticitet med användning av Ba (CF 3 SO 3 ) 2- dopad polyetenoxidelektrolytfilm. Sci. Rep. 6, 18915; doi: 10.1038 / srep18915 (2016).

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.