Comment les matériaux bio-inspirés pourraient éclairer la conception des ordinateurs de nouvelle génération

Ralph Lydic, professeur au département de psychologie de l’UT, et Dmitry Bolmatov, professeur assistant de recherche au département de physique et d’astronomie de l’UT, font partie d’une équipe de recherche de l’UT/ORNL qui étudie comment les matériaux bio-inspirés pourraient éclairer la conception de la prochaine- ordinateurs de génération. Leurs résultats, publiés récemment dans le Actes de l’Académie nationale des sciencespourraient avoir de grandes implications à la fois pour l’informatique de pointe et la santé humaine.

Les scientifiques de l’ORNL et de l’UT ont découvert qu’une membrane cellulaire artificielle est capable de potentialisation à long terme, ou LTP, une caractéristique de l’apprentissage et de la mémoire biologiques. C’est la première preuve qu’une membrane cellulaire seule, sans protéines ni autres biomolécules intégrées, est capable de LTP qui persiste pendant de nombreuses heures. C’est aussi la première structure nanométrique identifiée dans laquelle la mémoire peut être encodée.

“Lorsque les installations ont été fermées à cause du COVID, cela nous a amenés à nous éloigner de nos recherches habituelles sur les membranes”, a déclaré John Katsaras, biophysicien à la Direction des sciences neutroniques de l’ORNL, spécialisé dans la diffusion des neutrons et l’étude des membranes biologiques à l’ORNL. “Avec le post-doctorant Haden Scott, nous avons décidé de revisiter un système précédemment étudié par Pat Collier et ses collègues, cette fois avec un protocole de stimulation électrique entièrement différent que nous avons appelé” entraînement “.”

Cela a finalement conduit à des données pratiquement impossibles à distinguer du signal LTP observé dans le cerveau humain.

L’encodage de la mémoire dans des systèmes à l’échelle nanométrique a le potentiel de faire progresser le développement de matériaux et d’architectures informatiques de nouvelle génération qui cherchent à égaler l’efficacité et la flexibilité de la cognition humaine, connue sous le nom d’informatique neuromorphique. Bien que les implications pour l’intelligence artificielle puissent être évidentes, le calcul de type cérébral modifiera également considérablement l’efficacité énergétique et les capacités de calcul des appareils de nouvelle génération.

“La mémoire et la logique dans le cerveau sont étroitement liées”, a déclaré Collier, chercheur au Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l’ORNL où la recherche a été effectuée. “Mais dans les ordinateurs modernes, ces fonctions se produisent à différents endroits – un goulot d’étranglement que le cerveau n’a pas.”

Même les superordinateurs d’aujourd’hui ont des emplacements séparés pour le traitement et la mémoire. En fusionnant ces fonctions, les ordinateurs neuromorphiques pourraient aider à suivre le rythme des ensembles de données à croissance exponentielle qui deviennent de plus en plus complexes à mesure que l’Internet des objets, ou IoT, et l’interconnectivité des appareils deviennent monnaie courante dans les maisons et les espaces de travail. Cela ferait également progresser considérablement l’edge computing, la capacité d’un appareil à faire sa propre logique sur le site de collecte de données, sans avoir à envoyer des informations à un serveur central ou à un cloud.

De plus, les scientifiques n’ont pas encore identifié de structure à l’échelle nanométrique dans le cerveau où la mémoire est stockée. De grandes sections du cerveau, telles que l’hippocampe, sont connues pour stocker la mémoire, mais il reste beaucoup de choses inconnues sur l’endroit où la mémoire est stockée dans l’hippocampe et les mécanismes moléculaires qui en sont responsables. Il est important de noter que les membranes cellulaires ont été négligées en tant que structures dans lesquelles des informations pourraient être encodées, même si les lipides, un composant majeur des membranes, constituent la majeure partie de la masse du cerveau.

Le résultat inattendu de la réalisation de LTP dans une membrane lipidique pure initiera un réexamen de l’endroit et de la manière dont la mémoire est stockée dans un cerveau vivant. Si les membranes des cellules neurales s’avèrent être une caractéristique essentielle de la mémoire humaine, cela pourrait conduire à de nouveaux traitements pour plus d’un milliard de personnes dans le monde qui vivent avec des troubles neurologiques.

“Si les neurobiologistes peuvent trouver des preuves de cela dans le cerveau, cela pourrait avoir des impacts dramatiques sur la façon dont nous comprenons la démence et l’apprentissage”, a déclaré Katsaras. « Surtout, la membrane peut offrir une nouvelle cible thérapeutique pour les maladies du cerveau qui ne répondent pas aux médicaments ciblant les protéines.

Les systèmes à l’échelle nanométrique utilisés dans cette étude créent une membrane artificielle en réunissant deux gouttelettes d’eau recouvertes de lipides de la taille d’un micron dans une suspension d’huile. À l’interface entre les deux gouttelettes, une bicouche lipidique se forme qui imite les membranes cellulaires des synapses neuronales du cerveau humain.

Des recherches antérieures de l’ORNL ont montré que ce système de biomembrane est capable de stocker une charge électrique, mais seulement pendant de courtes périodes. Dans la nouvelle étude, la présence de LTP signifie qu’il existe de nouvelles voies pour savoir comment ce système de matériaux souples pourrait être utilisé dans des dispositifs neuromorphiques ou comment il pourrait servir de modèle pour la construction de dispositifs à semi-conducteurs avec des caractéristiques similaires.

“Maintenant que nous avons commencé à définir les protocoles électriques pour induire la LTP dans les membranes bicouches lipidiques, nous nous préparons à créer des architectures crossbar à deux terminaux dans lesquelles plusieurs membranes à l’échelle nanométrique interagissent, permettant d’effectuer une logique active, pas seulement un stockage passif, ” dit Collier. “Pour le moment, nous utilisons des systèmes uniques ; à l’avenir, nous devons apprendre à les connecter ensemble.”

En plus de s’associer avec des neurobiologistes pour explorer les implications biomédicales de cette découverte, les futurs travaux informatiques neuromorphiques sur le système de biomembrane impliqueront des simulations et l’utilisation des installations de leadership de l’ORNL dans les neutrons et l’informatique.

“Ce que nous voyons, ce sont des découvertes fortuites qui sont venues de recherches quelque peu motivées par la curiosité menées pendant la pandémie”, a déclaré Collier. “Mais c’est une découverte importante pour l’informatique neuromorphique. Nous ne savons pas exactement comment cela va fonctionner, mais c’est la partie amusante.”