Forskare från RMIT University har hämtat inspiration från optogenetik, ett framväxande verktyg inom bioteknik, att utveckla en enhet som replikerar hur hjärnan lagrar och tappar information. Optogenetik gör det möjligt för forskare att fördjupa sig i kroppens elektriska system med otrolig precision, med hjälp av ljus för att manipulera neuroner så att de kan slås på eller av.

Det nya chipet är baserat på ett ultratunt material som ändrar elektrisk motstånd som svar på olika våglängder av ljus, gör det möjligt att efterlikna hur neuroner fungerar för att lagra och ta bort information i hjärnan. Forskargruppsledare Dr Sumeet Walia sa att tekniken har tillämpningar inom artificiell intelligens (AI) -teknologi som kan utnyttja hjärnans fulla sofistikerade funktionalitet.

"Vårt optogenetiskt inspirerade chip efterliknar den grundläggande biologin i naturens bästa dator-den mänskliga hjärnan, "Sa Walia." Att kunna lagra, ta bort och bearbeta information är avgörande för beräkning, och hjärnan gör detta extremt effektivt. Vi kan simulera hjärnans neurala tillvägagångssätt helt enkelt genom att lysa olika färger på vårt chip. Denna teknik tar oss vidare på vägen mot snabb, effektiv och säker ljusbaserad beräkning. Det för oss också ett viktigt steg närmare förverkligandet av en bionisk hjärna-en hjärna-på-ett-chip som kan lära av sin miljö precis som människor gör. "

Dr Taimur Ahmed, huvudförfattare till studien publicerad i Avancerade funktionella material , sade att kunna replikera neuralt beteende på ett artificiellt chip erbjöd spännande vägar för forskning inom sektorer. "Denna teknik skapar enorma möjligheter för forskare att bättre förstå hjärnan och hur den påverkas av störningar som stör neurala förbindelser, som Alzheimers sjukdom och demens, Sa Ahmed.

Forskarna, från Functional Materials and Microsystems Research Group på RMIT, har också visat att chipet kan utföra logiska operationer, kryssar i en annan ruta för hjärnliknande funktioner. Utvecklad vid RMIT:s MicroNano Research Facility, tekniken är kompatibel med befintlig elektronik, och har också visats på en flexibel plattform för integration i bärbar elektronik.

Hur chipet fungerar

Neurala anslutningar sker i hjärnan genom elektriska impulser. När små energispikar når en viss spänningströskel, neuronerna binder ihop, början på skapandet av minne. På chipet, ljus används för att generera en fotoström. Växling mellan färger gör att strömmen vänds från positiv till negativ. Denna polaritetsförskjutning motsvarar bindning och brytning av neurala anslutningar, en mekanism som gör det möjligt för neuroner att ansluta (och framkalla inlärning) eller hämma (och framkalla glömning).

Detta liknar optogenetik, i vilken ljusinducerad modifiering av neuroner slår dem antingen på eller av, möjliggör eller hämmar anslutningar till nästa neuron i kedjan. För att utveckla tekniken, forskarna använde ett material som kallas svart fosfor (BP) som i sig kan vara defekt i naturen. Detta är vanligtvis ett problem för optoelektronik, men med precisionsteknik, forskarna kunde utnyttja defekterna för att skapa ny funktionalitet.

"Defekter brukar ses som något som bör undvikas, men här använder vi dem för att skapa något nytt och användbart, "Sade Ahmed." Det är ett kreativt tillvägagångssätt för att hitta lösningar för de tekniska utmaningar vi står inför. "