מחקר זה מומן על ידי בית הספר למדעי הרוח של אוניברסיטת פלימות ואמנויות הבמה. המחברים רוצה להכיר Functionalize כדי לספק דגימות של ה-PLA מוליך שלהם.

1-ייצור של קיבול מודפס 3D <ol><li>צ'יימברס, העפעפיים, ובסיס <ol><li>טען תלת-ממד מדפסת עם High-השפעה פוליסטירן (ירכיים) באמצעות ממשק המדפסת לקביעת הטמפרטורה מיטה הדפסה 85 ° C ו. המתקן עד 230 מעלות צלזיוס. כאשר הטמפרטורות הן הגיעו, שחרר את הזרוע תמך, הכנס את הסיב ולאחר לדחוף למטה עד שהוא מתחיל הבלטת מהחלק חם. ולאחר מכן יש להמ־ שיך הזרוע תמך פילמנט ולהסיר החומר מעוקם.</li>
		<li>לייבא את הקובץ דגם תלת-ממד קיבול STL הדפסת תלת-ממד עם פרוסות תוכנה, אשר יכולה להיות מושגת בדרך כלל על-ידי ניווט אל הכרטיסיה קובץ ובחירה באפשרויות הייבוא/פתיחה ( איור 2).</li>
		<li>אם חותך התוכנה מציעה גבוה ונמוך איכות הגדרות הדפסה, בחר באיכות גבוהה תוך הקפדה גם על כי הפרופיל גשמי הנכון נבחר. 
		הערה: אם הדפסת מספר כלי קיבול ב. סיבוב אחד, ודא שהתוכנות מוגדרות להדפיס כל אובייקט אחד בכל פעם. אם המערכת תדלג על שלב זה, איכות ההדפסה עלול להיות מופחת, אשר ככל הנראה יגרמו בעיות סובלנות בעת התאמת החלקים יחד.</li>
		<li>לאחר סיום ההדפסה, לחכות עד הטמפרטורה מיטה הדפסה מתחת 50 מעלות כדי להסיר את החלקים.</li>
		<li>בעדינות בעזרת מברשת תיל דק, לנקות את השקע אלקטרודה של פגמים שעלולות לגרום מכשולים בעת התאמת התא עם אלקטרודה.</li>
	</ol></li> <li>אלקטרודות <ol><li>להחליף את הסיב הירכיים עבור נימה ניקוי ורוץ שפע של החומר ראש ההדפסה.</li>
		<li>לטעון את המדפסת עם נימה חומצה (PLA) מוליך חשמלי polylactic שיש resistivity של אמצעי אחסון של Ω 0.75-ס"מ או פחות-</li>
		<li>הטמפרטורה מיטה הדפסה מוגדר 60 ° C ו. המתקן עד 230 מעלות צלזיוס (ראה שלב 1.1.1 להדרכה).</li>
		<li>כאשר הטמפרטורות הן הגיעו, הבלטת כמה סנטימטרים של חוט הלהט דרך ראש ההדפסה. תהליך זה יסייע להבטיח כי כל החלקיקים מהפעלות הקודם יוסרו.</li>
		<li>באמצעות הדפסה 3D עם פרוסות תוכנה, לטעון את הקובץ STL אלקטרודה ( איור 3).</li>
		<li>הגדרות הדפסה, ציין את האפשרויות הבאות: שכבה גובה = 0.16 מ"מ, עובי מעטפת = 1.7 מ"מ, עובי למטה/למעלה = 0.74 מ מ, מילוי צפיפות = 100% ( איור 4).</li>
		<li>אם הדפסת מספר אלקטרודות ב. סיבוב אחד, הגדר את המדפסת כך שתדפיס את אחד בכל פעם.</li>
		<li>פעם מודפס, להשאיר האלקטרודות על מיטה הדפסה עד שהם קיררה. לטמפרטורת החדר. פעולה זו מבטיחה החלק לא להיות מעוותת ולא מעוות.</li>
	</ol></li> <li>קיבול הרכבה <ol><li>חריץ אלקטרודה לתוך כל אחד שני התאים. אם שלב 1.1.5 הושלמה כראוי, האלקטרודות צריכות להכנס הצ'יימברס בלי הרבה כוח.</li>
		<li>באמצעות אזמל חדה, חותכים פיסת 10 מ מ פוליוויניל כלוריד (PVC) אבובים (הקוטר הפנימי של 4 מ מ, 6 מ מ קוטר חיצוני) מטפל על מנת להבטיח כי בכל קצה הוא חתך ישר ובצורה נקיה.</li>
		<li>בעדינות בכל קצה של הצנרת 10 מ מ PVC מעבר שתי אלקטרודות-</li>
		<li>לאחר ההתחברות, שני התאים קליפ לתוך הבסיס.</li>
	</ol></li></ol> 2. קיבול והכנה חיסון polycephalum פ <ol><li>2% אגר הכנה בינונית <ol><li>לשים 2 גר' אבקה אגר מיקרוביולוגית שאינם התזונתי לתוך בקבוק זכוכית 250 מ ל.</li>
		<li>מוסיפים 100 מ של מים יונים ומערבבים היטב.</li>
		<li>אוטוקלב הבקבוק למשך 12-15 דקות-121 מעלות צלזיוס או מקום באמבט מים רותחים במשך 15-20 דק...</li>
	</ol></li> <li>הגדרת מצע אגר לתוך כלי הקיבול בתוספת &#39; s צ'יימברס <ol><li>להמיס את אגר באמצעות תנורים או מיקרוגל.</li>
		<li>למלא פיפטה 2 מ"ל עם אגר מותכת.</li>
		<li>למלא כל אחד הקיבול &#39; צ'יימברס s על-ידי ריחוף של הציפורן של פיפטה כ 5 מ מ מעל הבסיס הפנימי ומילוי לאט הבארות עד לתחתית חיבור צינור חור.</li>
		<li>מיד לאחר מילוי הבארות, במקום מכסה על כל התאים ולהגדיר את כלי הקיבול הצידה עד אגר יש להגדיר והגיע בטמפרטורת החדר.</li>
	</ol></li> <li>Polycephalum פ חיסון <ol><li>מקום של פתית שיבולת שועל בכל אחד מן התאים שני.</li>
		<li>להסיר כתם אחד 2 מ"ל של pseudopods מורעבים (כ 12 h) התרבות של הפלזמודיום ומניחים אותו באחד התאים שני. כדי לקדם צמיחה מהירה, נסה לקחת בפרוטו מן הפעילים ביותר הקדמי של האורגניזם.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
	<li>Chua, L. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristor-The+Missing+Circuit+Element.">Memristor-The Missing Circuit Element.</a> IEEE Transactions on Circuit Theory. 18 (5), 507-519 (1971).</li><li>Trefzer, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristor+in+a+Nutshell.">Memristor in a Nutshell.</a> Guide to Unconventional Computing for Music. , 159-180 (2017).</li><li>Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+missing+memristor+found.">The missing memristor found.</a> Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).</li><li>Howard, G., Gale, E., Bull, L., De Lacy Costello, B., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolution+of+plastic+learning+in+spiking+networks+via+memristive+connections.">Evolution of plastic learning in spiking networks via memristive connections.</a> IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 16 (5), 711-729 (2012).</li><li>Sah, M. P., Kim, H., Chua, L. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brains+are+made+of+memristors.">Brains are made of memristors.</a> IEEE Circuits and Systems Magazine. 14 (1), 12-36 (2014).</li><li>Miranda, E. R., Kirke, A., Braund, E., Antoine, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+Unconventional+Computing+for+Sound+and+Music.">On Unconventional Computing for Sound and Music.</a> Guide to Unconventional Computing for Music. , 23-62 (2017).</li><li>Volkov, A. G., Tucket, C., Reedus, J., Volkova, M. I., Markin, V. S., Chua, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristors+in+plants.">Memristors in plants.</a> Plant Signal Behav. 9 (2), 37-41 (2014).</li><li>Grimnes, S., L&#252;tken, C. A., Martinsen, &. #. 2. 1. 6. ;. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristive+properties+of+electro-osmosis+in+human+sweat+ducts.">Memristive properties of electro-osmosis in human sweat ducts.</a> World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7-12, 2009, Munich, Germany. , 696-698 (2009).</li><li>Gale, E., Adamatzky, A., de Lacy Costello, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slime+Mould+Memristors.">Slime Mould Memristors.</a> BioNanoScience. 5 (1), (2014).</li><li>Braund, E., Sparrow, R., Miranda, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physarum-based+memristors+for+computer+music.">Physarum-based memristors for computer music.</a> Advances in Physarum Machines. , 755-775 (2016).</li><li>Daniel, J. W., Rusch, H. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pure+culture+of+Physarum+polycephalum+on+a+partially+defined+soluble+medium.">The pure culture of Physarum polycephalum on a partially defined soluble medium.</a> Journal of General Microbiology. 25 (1901), 47-59 (1961).</li><li>Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physarum+wires:+Self-growing+self-repairing+smart+wires+made+from+slime+mould.">Physarum wires: Self-growing self-repairing smart wires made from slime mould.</a> Biomedical Engineering Letters. 3 (4), 232-241 (2013).</li><li>Tarabella, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hybrid+living/organic+electrochemical+transistor+based+on+the+Physarum+polycephalum+cell+endowed+with+both+sensing+and+memristive+properties.">A hybrid living/organic electrochemical transistor based on the Physarum polycephalum cell endowed with both sensing and memristive properties.</a> Chemical Science. 6 (5), 2859-2868 (2015).</li><li>Braund, E., Miranda, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+Building+Practical+Biocomputers+for+Real-world+Applications:+Receptacles+for+Culturing+Slime+Mould+Memristors+and+Component+Standardisation.">On Building Practical Biocomputers for Real-world Applications: Receptacles for Culturing Slime Mould Memristors and Component Standardisation.</a> Journal of Bionic Engineering. 14 (1), 151-162 (2017).</li><li>Walter, X. A., Horsfield, I., Mayne, R., Ieropoulos, I. A., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+hybrid+circuits+exploiting+thermistive+properties+of+slime+mould.">On hybrid circuits exploiting thermistive properties of slime mould.</a> Scientific reports. 6, (2016).</li><li>Romeo, A., Dimonte, A., Tarabella, G., D'Angelo, P., Erokhin, V., Iannotta, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+bio-inspired+memory+device+based+on+interfacing+Physarum+polycephalum+with+an+organic+semiconductor.">A bio-inspired memory device based on interfacing Physarum polycephalum with an organic semiconductor.</a> APL materials. 3 (1), (2015).</li><li>Whiting, J. G., de Lacy Costello, B., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+function+of+protoplasmic+tubes+of+Physarum+polycephalum.">Transfer function of protoplasmic tubes of Physarum polycephalum.</a> Biosystems. 128, 48-51 (2015).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

מאמר זה הציג שיטה לגידול memristors החוצה myxomycete polycephalum פ. האורגניזם הוא גדל בתוך כלי קיבול מודפס 3D שנועדו להתגבר על חלק האילוצים המשויכות המיישמת את הביו-memristors. מגבלות כאלה כוללים זמן הכיוונון זמן צמיחה הדגימה, היעדר סטנדרטיזציה על תנאי הגידול מדגם-כדי-sample ותצפיות חשמל.
כלי הקיבול שלנו נחשף לראשונה בשנת 2015 בחומר פרסומי מודפס על חצי האי אמנות עכשווית מוסיקה פסטיבל 2016 (PACMF) ועל האתר בהתאמה15. הטכנולוגיה שלנו שימש כדי לפתח מערכת היברידית חומרה-bioware המוזיקה אינטראקטיבי זה היה מסוגל לייצר והשבירה מוסיקלי למוסיקאי בשידור חי. אסמכתא14, אנו מדווחים על בדיקה מקיפה של כלי הקיבול שלנו, והשוו את התוצאות נגד גישות הקודם9,10. בעקבות התפתחויות אלה, קבוצה אחרת של חוקרים בחנו ולאחר מכן יצירת סביבות גידול ללמוד מאפיינים של האורגניזם thermistive16, אבל אלה לא זהה memristive מאפיינים. עם זאת, היו שני ניסיונות לפתח גישה מבוקרת להטמעת polycephalum פ memristors13,17אחרים. בניסויים אלה, וולס היו עשויים חומר elastomer מסתיימים דמוי ג'ל הנקרא polydimethylsiloxane (PDMS), ואת אלקטרודות נוצרו באמצעות מתכות שונות או poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). למרות חומרים אלה משמשים באופן שגרתי אלקטרוניקה מיקרופלואידיקה, הנדסה ביונית, הם יקרים, דרושה מומחיות כלשהי לשימוש. לדוגמה, PEDOT:PSS צריך ספין-ציפוי סימום לשיפור מוליכות שלה. לכן, הטכניקות הן מחוץ להישג ידם של אנשים שאין להם גישה למשאבים מומחה. כלי קיבול שהוצגו במאמר זה להשתמש בשיטות וחומרים שאינם בעלי גישה בקלות ולא יקר. יתר על כן, העיצוב מספק סביבה מסבירי הפלזמודיום לחנות, אשר בניגוד אחרים polycephalum פ ממריסטור אבות-טיפוס איפה לשמור את התא בחיים למשך כל זמן אין ניסיון.
עד עכשיו, זה היה קשה להשיג עקבי אני-V מדידות באמצעות שיטות קודמות culturing האורגניזם על בצלחות פטרי (איור 5, משמאל). השיטות שלנו השתפר בצורה משמעותית תרחיש זה (איור 6). תוצאות בדיקות של כלי הקיבול שלנו הראו כי העיצוב יש ירד זמן צמיחה מוגברת תוחלת החיים, סטנדרטית רכיב תגובות, שנוצרו microenvironment מוגן כדי לתמצת את האורגניזם. יתר על כן, המכשיר מספק האמצעים האפשריים של שילוב האורגניזם כמרכיב של מזימת חשמל.
השיטה הציג מקלה על מספר נושאים הקשורים רתימת polycephalum פ memristors בתוך מערכות חשמל. עם זאת, קיימות מגבלות הדורשות בהמשך מחקר ופיתוח. ראשית, עיבוי באפשרותך לאסוף במשטח הפנימי של הצינור המחבר אם כלי קיבול נמצאים נתון שינוי בטמפרטורה או אם מתח גבוה מוחל על משכי זמן ארוכים. האחרון הוא של האורגניזם עמידות גבוהה גורמת אנרגיה חשמלית שתועבר אל החום. אם משמעותי, עיבוי באפשרותך ליצור שביל עמיד נמוך בין האלקטרודות שני קצותיו של הצינור המחבר. מגבלה זו ניתן לנהל באופן יעיל על-ידי הבטחת memristors לא עמוסים. שנית, ההתנגדות הכוללת של memristors מיוצר בשיטת שהוצגו יכול לנוע בין רכיב-כדי-רכיב. תופעה שכזו עשויה להיות תוצאה של הגישה לא הגבלת הקוטר החיצוני של הצינור פרוטופלסמי. כתוצאה מכך, משתמשים, ייתכן שיהיה עליך לשלב היישום שלהם של memristors תהליך כיול.
הודות מתודולוגיה זו, אנחנו יכולים להתחיל עכשיו ללמוד על תהליכים ביולוגיים שגורמים memristive תצפיות ב polycephalum פ. סביר להניח כי תהליכים כאלה יש פרמטרים דינמיים היינו יכולים לנצל כדי להגדיל את השימוש של הרכיב. התחלנו לרוץ ניסויים ראשוני שבו ריכוז יון חוץ-תאית שונו כדי לבדוק אם תעלות יונים ממותגת מתח לשחק תפקיד memristance...
כלי קיבול הציג נועדו אך ורק לצורך יישום polycephalum פ memristors. התקנים אלה סביר, עם זאת, יש שימושים מעבר לזה של יישום רכיב אחד. לדוגמה, הפניות12,18, הצינור פרוטופלסמי נחקר כמו חוט ביולוגי וההספק עצמית, יכולת לתיקון עצמי. בחקירות אלה שני, החוקרים הביעו המצריך עבודה נוספת הייתה לייסד שיטות גידול הצינורית פרוטופלסמי לפי ערכה. כלי קיבול בנייר זה מספקות שיטה של ממציאים את הייצור של הצינור בין שניים או יותר פוטנציאל, נקודות. איור 7 מציג שתי תמונות הממחישות כלי קיבול, יכול לשמש כדי לגדול בריא צינורות-אורכים יותר מ 100 מ מ. הפניה18, הפונקציה העברה של הצינור פרוטופלסמי נחקר. תוצאות החקירה ציין כי אגר הדרוש כדי לגדל הצינורות עלולים לגרום בעיה אם האורגניזם כדי לשלב מערכת חשמל. זאת בשל קיבוליות של המצע. כלי קיבול המובאת כאן עדיין דורשים אגר כדי לשמור על לחות גבוהה. עם שינויים קטנים בעיצוב של הקיבול, זאת, ניתן ליצור צינור להסרה. זו הגדרת עשוי לאפשר צינור כדי להיות מנותק מן התאים לאחר צמיחה מלאה והצמיד לתוך מערכת חשמל. יתר על כן, ברגע בריאות של הצינור מתחיל להתדרדר, זה יכול להתחבר ללשכה חדשה עבור מזון, הפוגה עד תיקן את עצמו ניתן להשתמש שוב. איור 8 מראה תמונה של צינורות ארוכים אשר נותק מן התאים. למחקר עתידי יש צורך לחקור תכונות חשמליות של הצינור פרוטופלסמי ללא של אגר, כאשר גדל באורכים בשיטת שהוצגו.

המחשבים של היום נבנים באמצעות רכיבי מעגל פסיבי יסוד 2-טרמינל 3: הקבל את resistor, את סליל השראה. אלמנטים פסיביים מסוגלים רק יחלוף או אחסון אנרגיה, לא שמייצר אותו. רכיבים אלה הוקמו על 18th והמאה ה 19 , מקושרים באמצעות משוואות מקסוול. אנו מגדירים כל אחד מרכיבים אלה שלושה מעגלים מבחינת היחסים בין שני המשתנים מעגל 4. כלומר, הזרם (I), מתח (V), תשלום (Q) ו שטף הצמדה (φ). טעינת האינטגרל זמן של הזרם, חוק פאראדיי מגדיר את המתח האינטגרל זמן של השטף. לפיכך, קבל מוגדרת על-ידי קשר בין מתח לבין תשלום, הנגד מוגדרת על-ידי מערכת יחסים בין מתח לבין הנוכחי, סליל השראה הוא מוגדר על ידי קשר בין שטף ועדכניים. במשך יותר ממאה שנה, רכיבים אלה היו אבן יסוד של אלקטרוניקה. עם זאת, הם רק מייצגים שלוש של זוגות ארבעה קשר אפשרי בין המשתנים במעגל, עוזב השטף הצמדה ודמי לא מקושרים. בשנת 1971, ליאון צ'ואה פרסם נייר1 איפה הוא שמהווה שהיה חסר אלמנט הרביעי מקושרים הנותרים שני המשתנים, אותו הוא מכנה את ממריסטור. ממריסטור יכול להיות מתואר הנגד שזוכר את ההיסטוריה שלה, ומכאן להתכווצות 'זיכרון resistor.' פונקציות רכיב זה על ידי שינוי ההתנגדות שלו על פי היקף המתח שהוחלו בעבר ומשך שלה. יתר על כן, ממריסטור שומר את מצב ההתנגדות האחרונה שלו ברגע המתח אינו מוחל. בניגוד קבל, נגד, סליל השראה, ההתנהגות של ממריסטור היא לא לינארית, אשר מתבטא בפרופיל שלה-V שבו נוצרת לולאה היסטרזיס צבט תחת מתח חילופין. הלופ הזה לוקח את הטופס של דמות Lissajous המכיל שני בניצב תנודות של הברית עמידות גבוה ונמוך. לפני תורת memristance פורמאלי של צ'ואה, חוקרים אחרים דיווחו על זיכרון ההתנגדות אפקטים בתדרים מסוימים כאשר ניסויים עם חומרים כגון תחמוצות מתכת, יחד עם פיתוח מכשירי חשמל-מיקרומטר פולימרים גודל2. עם זאת, במקרים רבים, אפקטים אלה נחשבו בלתי רצויות. לקח כמעט ארבעים שנה פורמליזציה של צ'ואה להיות מחובר התקן פיזי ועבור חוקרים להתחיל פיתוח שיטות של ניצול ההשפעות memristive. צוות במעבדות HP הצליח בדיית מכשיר memristive 20083 זה שהצית עניין עצום ברכיב.
מדעני מחשב יש עניין נלהב ממריסטור עקב זה להיות זוכה כרכיב הראשון לשלב יכולות העיבוד והזיכרון של יחידה אחת. הוא גם מציג התנהגויות מקביל תהליכים נוירולוגיים מסוימים כגון תזמון-תלויי-ספייק פלסטיות (STDP)4, רק אחד. התנהגות כזו הם המעוררים פרספקטיבות של בניית טכנולוגיות מחשוב המוח כמו לוותר על ההבחנה בין זיכרון, יחידת העיבוד המרכזית (או CPU)5. בניגוד הגישות פופולרי לפתח memristors (באמצעות TiO2, לדוגמה), שאיפתנו היא לפתח של ביו-ממריסטור אורגני. יתר על כן, אנו מעוניינים איך רכיב זה עשוי לספק אמצעי חקר פרדיגמות מעבר גישות קונבנציונליות התקני מיחשוב הנדסי; למשל, יישומים יצירתיים בתחום של מוסיקה במחשב6.
Memristance הוא אפקט חוקרים מצאו לאחרונה ברחבי מגוון של מערכות ביולוגיות. לדוגמה, מאפייני memristive נצפו הצמחים אלוורה7 ואת העור האנושי8, לצטט, אבל שניים. תגליות אלה מציינים כי ייתכן להסכמות עיבוד והתקני זיכרון על מצעים ביולוגי. רתימת המערכות האורגניות בתוך טכנולוגיה עשויה לאפשר אותנו לחקור רעיונות מרתקים כגון הרכבה עצמית, השפעה סביבתית נמוכה, תיקון עצמי, ומפעילים עצמית. לפני שנוכל לחקור את ההזדמנויות הללו אולם, מספר אתגרים צריך להתייחס. רבים של מערכות ביולוגיות בעלות מאפיינים memristive יש אילוצים משמעותי המגבילות הנביטה שלהם כמו רכיב אלקטרוני בפועל. לדוגמה, עלה אלוורה7 צריך אור יש תוחלת חיים מוגבלת, יהיה קשה להשתלב במעגל. יתר על כן, מספר אחרים ויוו memristive, תופעות כגון זיעה אנושית ducts8, אינם ריאלי כיום אפשרויות לפיתוח מערכות לשימוש מחוץ למעבדה, במערכות אלקטרוניות רגילים. עם זאת, של כל התופעות memristive, יש מועמד פוטנציאלי אחד: polycephalum פ.
הפלזמודיום של polycephalum פ היא מערכת חד־תאיות אמורפי כי התגלתה לפעול כמו רכיב memristive9,10. האורגניזם הוא מועמד אידיאלי לחקר באלקטרוניקה חומרה-המוחית היברידי עבור מספר סיבות. ראשית, האורגניזם פתוגניים שאינם, מאקרוסקופית, ודורש אין טעם ציוד מומחה, ההופכת הפלזמודיום נגיש מהנדסים, ללא-ביולוגים. שנית, התא אמורפי, טפסים רשתות של תיל דמויי ורידים, יגדל על רוב מצעים (איור 1). מאפיינים אלה מאפשרים המורפולוגיה של התא בקלות מאפשרת להחיל ערכת חשמל קונבנציונאלי. יש גם מחקרים מדגימים כי הפלזמודיום יכולים לחיות על פני ארבע שנים11, הורידים שלה יכול לשמש התיקון העצמי מסלולים מוליך12. מספר מחקרים במעבדה אישרו של האורגניזם memristive יכולות9,10,13 , עכשיו הזמן בשלים לחקור את הפוטנציאל שלה.
הרעיון של שימוש P. polycephalum memristors הוא חדש יחסית. כתוצאה מכך, ישנם אין תקנים הוקמה עבור מדידת והתבוננות שלה תכונות חשמליות. כזה חוסר אחידות בהליכים ניסיוני בתוך אותה קבוצת המחקר ובין קבוצות עשוי להיות הסיבה יש חוסר עקביות בין לאור תוצאות9,10. סביר כי וריאציה כזו היא הבולטת ביותר ב דוגמת תנאי הגידול והטיפול. לכן, אנחנו צריכים לייסד שיטות לייצור, בדיקות polycephalum פ memristors בו גורמים אשר עלול לגרום לשגיאות טובים יותר מבוקר תחת פיקוח.  יתר על כן, עלינו ליצור שיטות יישום memristors polycephalum פ המאפשרים השתלבות מערכות חשמל נוחה ויציבה.
השיטה המובאת בעיתון הזה מספק פלטפורמה עבור חקר יישומים מעשיים של polycephalum פ memristors על-ידי מתן אמצעי שילוב האורגניזם כרכיב מפרטים טכניים חשמליים. סביר כי שיטות אלה ימשכו את המהנדסים לחקור את העולם האמיתי שימושים של מערכות חומרה-המוחית היברידית. יתר על כן, הוא נגיש שאינם מומחים (למשל, חובבי שטנץ אלקטרונית פתוח) מי עשוי להיות מעוניין להתנסות עם היבטים של מחשוב לא שגרתיים, אבל קשה למצוא טיפוס להסתגל שלהם הצרכים. כמה יישומים פוטנציאליים עשויים לכלול יישום מודלים הסתברותיים לרתום את memristors עולה התנהגות, פיתוח גישות לביצוע stateful lפעולות ogic, דגמי תהליכים נוירולוגיים לאחסון מידע, עיבוד.

<table><tbody><tr><td>Conductive PLA filament 2.85mm</td><td>Functionalize</td><td>FE_1LB_2.85MM</td><td>Conductive 3D Printing Filament</td></tr><tr><td>HIPS Filament 3mm 1KG (black)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>3D printing filament</td></tr><tr><td>Cleaning Filament, 3mm, 0.1 kg, Natural</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>3D cleaning filament</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>3D printer</td></tr><tr><td>Agar powder</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>Non-nutrient microbiological Agar powder</td></tr><tr><td>4mm ID x 6mm OD Clear PVC Tubing Pipe Hose 5 Metres</td><td>Amazon</td><td>B008NC4JUO</td><td>Roll of PVC tubing</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>Plasmodium culture.</td></tr><tr><td>Oat Flakes</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td><td>Oak flakes to feed the Plasmoidum</td></tr><tr><td>Cura</td><td>Lulzbot</td><td>Cura LulzBot Edition</td><td>https://www.lulzbot.com/cura</td></tr><tr><td>230 Programmable Voltage Source</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Voltage source instrument.</td></tr><tr><td>617 Programmable Electrometer</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Electrometer to measure low currents.</td></tr></tbody></table>

a method for growing bio-memristors from slime mold

המחקר שלנו מכוונת השגת הבנה טובה יותר של מאפייני האורגניזמים אלקטרונית כדי להנדס מערכות bioelectronic הרומן של ארכיטקטורות מחשוב מבוסס על ביולוגיה. נייר ספציפי זה מתמקד רתימת כייר רפש חד־תאיות Physarum polycephalum לפתח ביו-memristors (או memristors ביולוגי) התקני מחשוב-ביו. ממריסטור הוא הנגד שמחזיק זיכרון. . זה 4 מעגל פסיבי יסוד ביסוד (השני שלושה הם resistor את הקבל, את סליל השראה), אשר הוא סולל את הדרך על עיצוב האתר של סוגים חדשים של מערכות מחשוב; למשל, מחשבים עשוי לוותר על ההבחנה בין אחסון של יחידת העיבוד המרכזית. בעת החלת עם מתח חילופין, הנוכחי לעומת מתח האופייניים ממריסטור היא לולאה היסטרזיס צבט. הוכח כי polycephalum פ מייצרת היסטרזיס צבט לולאות תחת מתח AC ומציגה את התנהגות מסתגלת המקבילה עם תפקוד ממריסטור. מאמר זה מציג את השיטה שפיתחנו עבור יישום ביו-memristors עם polycephalum פ , מציגה את התפתחות קיבול לתרבות האורגניזם, בפריסת שלה בתור מרכיב מעגלים אלקטרוניים. השיטה שלנו הוכיחה כדי לצמצם את זמן צמיחה, להגדיל את תוחלת החיים רכיב לתקנן תצפיות חשמל.

כדי להפיק תוצאות נציג, הקמנו 5 דוגמאות שימוש בשיטת המדויקות שתוארו לעיל. עבור פקד, דגימות 5 היו מסודרים גם באמצעות השיטה המתוארת ב מוקדם polycephalum פ ממריסטור חקירות9,10. כאן, אנחנו בעמדה שתי אלקטרודות במרווחים של מרחק של ~ 10 מ מ בתוך צלחות פטרי 60 מ מ. כל אלקטרודה כללה מעגל (~ 20 מ מ קוטר) של שימורי חוטי נחושת (16 עומד על 0.2 מ מ) מלא של 2% שאינם התזונתי אגר יונים (~ 2 מ"ל). כל הדגימות נוטרו באמצעות הדימויים בצילום מואץ כדי לסקור את זמן צמיחה. כאן, הדגימות קיבול 5 לחבר את שתי אלקטרודות בתוך h 10 של חיסון. המהירה ביותר מאלה הלכה וגדלה מתחת לגיל 2 h, הארוך ביותר היה 10שע, עם הזמן כלומר הגידול הממוצע בכל הדוגמאות 5 של 7 שעות 24 דקות. 4 דגימות הבקרה המיוצרים על קישור צינור פרוטופלסמי ואחד להפיץ את האלקטרודה חיסון אך התייבש לפני זה עשה את החיבור הנדרש. המהירה ביותר של הדגימות שליטה עשה את החיבור שלו בתוך 19 h בזמן האיטית ביותר לקח ה' 36, עם זמן הגידול הממוצע של מדגמים שליטה של 26 שעות 15 דקות. נתונים אלו מראים ירידה משמעותית בזמן צמיחה memristors גדל באמצעות השיטה שהוצגו.
לפרופיל-V של ממריסטור היא התכונה הכי המכונן שלה. ככזה, אנו לבצע מדידות-V הדוגמאות כדי להפיק תוצאות נציג על הנייר הזה. . הנה, נעשו מדידות הנוכחי מיידי בכל נקודה של גל סינוס 160-צעד מתח. כל שלב מתח היה לי זמן להתעכב סטטי של מדידות חשמל ס' 2 נעשו באמצעות מקור מתח 230 לתכנות של אלקטרומטר לתכנות 617. התקנים אלה נבחרו כפי שהם מסוגלים לחיזוי לקיחת המידות ברזולוציות גבוהות של מתח חשמלי. הניסויים נערכו בטמפרטורת החדר בחדר הכבויות.
איור 6 מראה טיפוסי אני-V עקומות המופק בדיקות על polycephalum פ memristors. איור 6 c ו- 6 d להראות חלקות עם המדידות נציג מרכיבי ליישם את צלחות פטרי. תוצאות השימוש בשיטה זו מראים כי למרות עקומות נמדדים על אותה דגימת זרע דומות מורפולוגית, היסטרזיס משתנה בכבדות מדגם-כדי-sample. וריאציה כזו כוללת את המיקום של קמצוץ נקודות את סדר הגודל של האונות חיובי ושלילי, הסימטריה בין מדידות בתחומים מתח שליליים או חיוביים. לפיכך, עקומות-V נמדדים על memristors באמצעות שיטת צלחת פטרי אינם טביעת רגלו של ממריסטור "אידיאלי" מכיוון קמצוץ הנקודות אינן אפס מתח, זרם. איור 6a 6b מראים תרשימים עם נציג מידות memristors גדל את כלי קיבול. מיקומי נקודות קמצוץ והגדלים האונה של לולאות היסטרזיס אלה הם יחסית עקבית הן עקומות דוגמת דיסקרטית נבדק תחת מתח שונה טווחי זמן-שלבים, והן מדגם-כדי-sample עקומות. לכן, קיבול-V עקומות היו יותר המזכיר של טביעת הרגל של ממריסטור 'אידאלי', איפה נקודות קמצוץ תמיד היו יחידי, כמעט בעקביות במתח אפס הנוכחי. עם זאת, למרות היסטרזיס מורפולוגיות דומות לדוגמה-כדי-sample, היתה וריאציה של ההתנגדות הכוללת בין דגימות. .
אחרי המדידות הראשוני אני וולט הושלמה, בדיקות נעשו על כל דגימה פעם ביום עד שהם לא עקומות memristive. של הדגימות שליטה 4, 2 התייבש תוך יומיים של בדיקה ראשונית, בעוד השניים הנותרים המשיך להקליט עקומות צבט 2 ימים נוספים. הדגימות קיבול הקפיד memristance שלהם לפחות 7 ימים, עם 3 דגימות העולה על זה. לאורך זמן, כל אחד הצינורות פרוטופלסמי של המדגם קיבול הפך סמיך, חלה ירידה בההתנגדות הכוללת, עם דגימות מדידה ב A x 10-04 טווח עבור 10 V פועל מול A x 10-05 בבדיקות קודמות שלהם.
הקורא מכונה במאמר מאת Braund14 עבור תוצאות בדיקה מקיפה של הכלי קיבול שהוצגו.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
איור 1: תמונה של תרבות בת 2 של הפלזמודיום של polycephalum פ. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
איור 2: צילום מסך של הקובץ STL קיבול לאחר טעינתה לתוך התוכנה עם פרוסות. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
איור 3: צילום מסך של הקובץ STL אלקטרודה לאחר טעינתה לתוך התוכנה עם פרוסות. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
איור 4: תצלום מסך של תצורת הגדרות להדפסת המודל STL אלקטרודה.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
איור 5: Memristors polycephalum פ מיושמת בצלחת פטרי (משמאל) ושימוש השיטה המובאת בעיתון הזה (מימין) המתארים שני. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
איור 6: גרפים ארבע-V אשר יוצרו בין שני memristors גדל את כלי קיבול (a, b) ושני מיושם פטרי (c, d). <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
איור 7: צילומים מראה את הקיבול בשימוש לגדול צינורות באורכים שונים.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > איור 8: תמונה המציגה פרוטופלסמי צינורות אשר נותק מן התאים.

Watch this Scientific Journal Video about A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold at JoVE.com

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

שיטה לגידול ביו-memristors מן העיפוש רפש

מאמר זה מציג שיטה משופרת לגידול ביו-memristors מתוך הפלזמודיום של Physarum polycephalum. השיטה הוכיחה להקטין זמן גדילה, להגדיל את תוחלת החיים של רכיב, לתקנן תצפיות חשמל וליצור סביבה מוגנת שמסוגלת ניתן לשלב המעגלים קונבנציונלי.

Our research is aimed at gaining a better understanding of the electronic properties of organisms in order to engineer novel bioelectronic systems and ...

a-method-for-growing-bio-memristors-from-slime-mold

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K Views.  Plymouth University. מאמר זה מציג שיטה משופרת לגידול ביו-memristors מתוך הפלזמודיום של Physarum polycephalum. השיטה הוכיחה להקטין זמן גדילה, להגדיל את תוחלת החיים של רכיב, לתקנן תצפיות חשמל וליצור סביבה מוגנת שמסוגלת ניתן לשלב המעגלים קונבנציונלי.

Video: A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

Design and Use of a Low Cost, Automated Morbidostat for Adaptive Evolution of Bacteria Under Antibiotic Drug Selection

We describe a low cost, configurable morbidostat for characterizing the evolutionary pathway of antibiotic resistance. The morbidostat is a bacterial culture device that continuously monitors bacterial growth and dynamically adjusts the drug concentration to constantly challenge the bacteria as they evolve to acquire drug resistance. The device features a working volume of ~10 ml and is fully automated and equipped with optical density measurement and micro-pumps for medium and drug delivery. To validate the platform, we measured the stepwise acquisition of trimethoprim resistance in Escherichia coli MG 1655, and integrated the device with a multiplexed microfluidic platform to investigate cell morphology and antibiotic susceptibility. The approach can be up-scaled to laboratory studies of antibiotic drug resistance, and is extendible to adaptive evolution for strain improvements in metabolic engineering and other bacterial culture experiments.

We describe a low cost, configurable morbidostat that enables the characterization of antibiotic drug resistance by dynamically adjusting the drug concentration. The device can be integrated with a multiplexed microfluidic platform. The approach can be scaled up for laboratory antibiotic drug resistance studies.

עיצוב ושימוש בעלות נמוכה, אוטומטי Morbidostat עבור Adaptive אבולוציה מהירה של חיידקים תחת אנטיביוטי והתרופות בחירה

We describe a low cost, configurable morbidostat for characterizing the evolutionary pathway of antibiotic resistance. The morbidostat is a bacterial ...

Genetics

Chemotactic Response of Marine Micro-Organisms to Micro-Scale Nutrient Layers

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and biogeochemical flux. However, to take advantage of nutrient patches in the ocean, swimming microbes must overcome the influences of physical forces including molecular diffusion and turbulent shear, which will limit the availability of patches and the ability of bacteria to locate them. Until recently, methodological limitations have precluded direct examinations of microbial behaviour within patchy habitats and realistic small-scale flow conditions. Hence, much of our current knowledge regarding microbial behaviour in the ocean has been procured from theoretical predictions. To obtain new information on microbial foraging behaviour in the ocean we have applied soft lithographic fabrication techniques to develop 2 microfluidic devices, which we have used to create (i) microscale nutrient patches with dimensions and diffusive characteristics relevant to oceanic processes and (ii) microscale vortices, with shear rates corresponding to those expected in the ocean. These microfluidic devices have permitted a first direct examination of microbial swimming and chemotactic behaviour within a heterogeneous and dynamic seascape. The combined use of epifluorescence and phase contrast microscopy allow direct examinations of the physical dimensions and diffusive characteristics of nutrient patches, while observing the population-level aggregative response, in addition to the swimming behaviour of individual microbes. These experiments have revealed that some species of phytoplankton, heterotrophic bacteria and phagotrophic protists are adept at locating and exploiting diffusing microscale resource patches within very short time frames. We have also shown that up to moderate shear rates, marine bacteria are able to  fight the flow  and swim through their environment at their own accord. However, beyond a threshold high shear level, bacteria are aligned in the shear flow and are less capable of swimming without disturbance from the flow. Microfluidics represents a novel and inexpensive approach for studying aquatic microbial ecology, and due to its suitability for accurately creating realistic flow fields and substrate gradients at the microscale, is ideally applicable to examinations of microbial behaviour at the smallest scales of interaction.  We therefore suggest that microfluidics represents a valuable tool for obtaining a better understanding of the ecology of microorganisms in the ocean.

The fabrication of microfluidic channels and their implementation in experiments for studying the chemotactic foraging behaviour of marine microbes within a patchy nutrient seascape and the swimming behaviour of bacteria within shear flow are described.

תגובת Chemotactic של מיקרו אורגניזמים ימיים כדי Micro-Scale שכבות מזין

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and ...

Biology

Protocol for Biofilm Streamer Formation in a Microfluidic Device with Micro-pillars

Several bacterial species possess the ability to attach to surfaces and colonize them in the form of thin films called biofilms. Biofilms that grow in porous media are relevant to several industrial and environmental processes such as wastewater treatment and CO2 sequestration. We used Pseudomonas fluorescens, a Gram-negative aerobic bacterium, to investigate biofilm formation in a microfluidic device that mimics porous media. The microfluidic device consists of an array of micro-posts, which were fabricated using soft-lithography. Subsequently, biofilm formation in these devices with flow was investigated and we demonstrate the formation of filamentous biofilms known as streamers in our device. The detailed protocols for fabrication and assembly of microfluidic device are provided here along with the bacterial culture protocols. Detailed procedures for experimentation with the microfluidic device are also presented along with representative results.

Protocols for the study of biofilm formation in a microfluidic device that mimics porous media are discussed. The microfluidic device consists of an array of micro-pillars and biofilm formation by Pseudomonas fluorescens in this device is investigated.

פרוטוקול ליצירת biofilm Streamer במכשיר microfluidic עם מיקרו עמודים

Several bacterial species possess the ability to attach to surfaces and colonize them in the form of thin films called biofilms. Biofilms that grow in ...

Design, Surface Treatment, Cellular Plating, and Culturing of Modular Neuronal Networks Composed of Functionally Inter-connected Circuits

The brain operates through the coordinated activation and the dynamic communication of neuronal assemblies. A major open question is how a vast repertoire of dynamical motifs, which underlie most diverse brain functions, can emerge out of a fixed topological and modular organization of brain circuits. Compared to in vivo studies of neuronal circuits which present intrinsic experimental difficulties, in vitro preparations offer a much larger possibility to manipulate and probe the structural, dynamical and chemical properties of experimental neuronal systems. This work describes an in vitro experimental methodology which allows growing of modular networks composed by spatially distinct, functionally interconnected neuronal assemblies. The protocol allows controlling the two-dimensional (2D) architecture of the neuronal network at different levels of topological complexity.
A desired network patterning can be achieved both on regular cover slips and substrate embedded micro electrode arrays. Micromachined structures are embossed on a silicon wafer and used to create biocompatible polymeric stencils, which incorporate the negative features of the desired network architecture. The stencils are placed on the culturing substrates during the surface coating procedure with a molecular layer for promoting cellular adhesion. After removal of the stencils, neurons are plated and they spontaneously redirected to the coated areas. By decreasing the inter-compartment distance, it is possible to obtain either isolated or interconnected neuronal circuits. To promote cell survival, cells are co-cultured with a supporting neuronal network which is located at the periphery of the culture dish. Electrophysiological and optical recordings of the activity of modular networks obtained respectively by using substrate embedded micro electrode arrays and calcium imaging are presented. While each module shows spontaneous global synchronizations, the occurrence of inter-module synchronization is regulated by the density of connection among the circuits.

This manuscript describes a protocol to grow in vitro modular networks consisting of spatially confined, functionally inter-connected neuronal circuits. A polymeric mask is used to pattern a protein layer to promote cellular adhesion over the culturing substrate. Plated neurons grow on coated areas establishing spontaneous connections and exhibiting electrophysiological activity.

עיצוב, משטח טיפול, סלולרי ציפוי, וCulturing של רשתות עצבי מודולרי מורכב ממעגלי קשרים בין פונקציונלי

The brain operates through the coordinated activation and the dynamic communication of neuronal assemblies. A major open question is how a vast repertoire ...

Neuroscience

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the cognitive powers of the brain with comparable efficiency and density. To date, silicon-based three-terminal transistors and two-terminal memristors have been widely used in neuromorphic circuits, in large part due to their ability to co-locate information processing and memory. Yet these devices cannot achieve the interconnectivity and complexity of the brain because they are power-hungry, fail to mimic key synaptic functionalities, and suffer from high noise and high switching voltages. To overcome these limitations, we have developed and characterized a biomolecular memristor that mimics the composition, structure, and switching characteristics of biological synapses. Here, we describe the process of assembling and characterizing biomolecular memristors consisting of a 5 nm-thick lipid bilayer formed between lipid-functionalized water droplets in oil and doped with voltage-activated alamethicin peptides. While similar assembly protocols have been used to investigate biophysical properties of droplet-supported lipid membranes and membrane-bound ion channels, this article focuses on key modifications of the droplet interface bilayer method essential for achieving consistent memristor performance. Specifically, we describe the liposome preparation process and the incorporation of alamethicin peptides in lipid bilayer membranes, and the appropriate concentrations of each constituent as well as their impact on the overall response of the memristors. We also detail the characterization process of biomolecular memristors, including measurement and analysis of memristive current-voltage relationships obtained via cyclic voltammetry, as well as short-term plasticity and learning in response to step-wise voltage pulse trains.

Soft, low-power, biomolecular memristors leverage similar composition, structure, and switching mechanisms of bio-synapses. Presented here is a protocol to assemble and characterize biomolecular memristors obtained from insulating lipid bilayers formed between water droplets in oil. The incorporation of voltage-activated alamethicin peptides results in memristive ionic conductance across the membrane.

הרכבה ואפיון של Memristors למערכות ביולוגיות המורכב ממברנות השומנים מסטול-תעלת יונים

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the ...

Generating Controlled, Dynamic Chemical Landscapes to Study Microbial Behavior

We demonstrate a method for the generation of controlled, dynamic chemical pulses&#8213;where localized chemoattractant becomes suddenly available at the microscale&#8213;to create micro-environments for microbial chemotaxis experiments. To create chemical pulses, we developed a system to introduce amino acid sources near-instantaneously by photolysis of caged amino acids within a polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chamber containing a bacterial suspension. We applied this method to the chemotactic bacterium, Vibrio ordalii, which can actively climb these dynamic chemical gradients while being tracked by video microscopy. Amino acids, rendered biologically inert (&#39;caged&#39;) by chemical modification with a photoremovable protecting group, are uniformly present in the suspension but not available for consumption until their sudden release, which occurs at user-defined points in time and space by means of a near-UV-A focused LED beam. The number of molecules released in the pulse can be determined by a calibration relationship between exposure time and uncaging fraction, where the absorption spectrum after photolysis is characterized by using UV-Vis spectroscopy. A nanoporous polycarbonate (PCTE) membrane can be integrated into the microfluidic device to allow the continuous removal by flow of the uncaged compounds and the spent media. A strong, irreversible bond between the PCTE membrane and the PDMS microfluidic structure is achieved by coating the membrane with a solution of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) followed by plasma activation of the surfaces to be bonded. A computer-controlled system can generate user-defined sequences of pulses at different locations and with different intensities, so as to create resource landscapes with prescribed spatial and temporal variability. In each chemical landscape, the dynamics of bacterial movement at the individual scale and their accumulation at the population level can be obtained, thereby allowing the quantification of chemotactic performance and its effects on bacterial aggregations in ecologically relevant environments.

A protocol for the generation of dynamic chemical landscapes by photolysis within microfluidic and millifluidic setups is presented. This methodology is suitable to study diverse biological processes, including the motile behavior, nutrient uptake, or adaptation to chemicals of microorganisms, both at the single cell and population level.

יצירת מבוקרת, נופים כימיים דינמי ללמוד התנהגות מיקרוביאלית

We demonstrate a method for the generation of controlled, dynamic chemical pulses&#8213;where localized chemoattractant becomes suddenly available at the ...

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record forces curves on 1000 cells in 4 hours automatically. To maintain a 4 hour analysis time, the number of force curves per cell is reduced to 9 or 16. The method combines a Jython based program and a strategy for assembling cells on defined patterns. The program, implemented on a commercial Bio-AFM, can center the tip on the first cell of the array and then move, automatically, from cell to cell while recording force curves on each cell. Using this methodology, it is possible to access the biophysical parameters of the cells such as their rigidity, their adhesive properties, etc. With the automation and the large number of cells analyzed, one can access the behavior of the cell population. This is a breakthrough in the Bio-AFM field where data have, so far, been recorded on only a few tens of cells.

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

This protocol aims to automate AFM measurements on hundreds of microbial cells. First, microbes are immobilized into PDMS stamp microstructures and then force spectroscopy measurements are performed automatically on hundreds of immobilized cells.

אוטומציה של מדידות מיקרוסקופ כוח ביו-אטומי על מאות תאי C. אלביקנס

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record ...

Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography

Biomimetics is the use of chemistry and material sciences to mimic biological systems, specifically biological structures, to better humankind. Recently, biomimetic surfaces mimicking the microstructure of leaf surface, were used to study the effects of leaf microstructure on leaf-environment interactions. However, no such tool exists for roots. We developed a tool allowing the synthetic mimicry of the root surface microstructure into an artificial surface. We relied on the soft lithography method, known for leaf surface microstructure replication, using a two-step process. The first step is the more challenging one as it involves the biological tissue. Here, we used a different polymer and curing strategy, relying on the strong, rigid, polyurethane, cured by UV for the root molding. This allowed us to achieve a reliable negative image of the root surface microstructure including the delicate, challenging features such as root hairs. We then used this negative image as a template to achieve the root surface microstructure replication using both the well-established polydimethyl siloxane (PDMS) as well as a cellulose derivative, ethyl cellulose, which represents a closer mimic of the root and which can also be degraded by cellulase enzymes secreted by microorganisms. This newly formed platform can be used to study the microstructural effects of the surface in root-microorganism interactions in a similar manner to what has previously been shown in leaves. Additionally, the system enables us to track the microorganism&#8217;s locations, relative to surface features, and in the future its activity, in the form of cellulase secretion.

Biomimetics has been previously used as a tool to study leaf-microorganism interactions. However, no such tool exists for roots. Here, we develop a protocol to form synthetic surfaces mimicking root surface microstructure for the study of root-environment interactions.

שכפול של מבנה משטח שורש באמצעות שינוי של ליתוגרפיה רכה

Biomimetics is the use of chemistry and material sciences to mimic biological systems, specifically biological structures, to better humankind. Recently, ...

Using Microfluidic Devices to Measure Lifespan and Cellular Phenotypes in Single Budding Yeast Cells

Budding yeast Saccharomyces cerevisiae is an important model organism in aging research. Genetic studies have revealed many genes with conserved effects on the lifespan across species. However, the molecular causes of aging and death remain elusive. To gain a systematic understanding of the molecular mechanisms underlying yeast aging, we need high-throughput methods to measure lifespan and to quantify various cellular and molecular phenotypes in single cells. Previously, we developed microfluidic devices to track budding yeast mother cells throughout their lifespan while flushing away newborn daughter cells. This article presents a method for preparing microfluidic chips and for setting up microfluidic experiments. Multiple channels can be used to simultaneously track cells under different conditions or from different yeast strains. A typical setup can track hundreds of cells per channel and allow for high-resolution microscope imaging throughout the lifespan of the cells. Our method also allows detailed characterization of the lifespan, molecular markers, cell morphology, and the cell cycle dynamics of single cells. In addition, our microfluidic device is able to trap a significant amount of fresh mother cells that can be identified by downstream image analysis, making it possible to measure the lifespan with higher accuracy.

This article presents a protocol optimized for the production of microfluidic chips and the setup of microfluidic experiments to measure the lifespan and cellular phenotypes of single yeast cells.

באמצעות מכשירים microfluidic למדוד פנוטיפים תוחלת החיים סלולר בתאי שמרים ניצני יחיד

Budding yeast Saccharomyces cerevisiae is an important model organism in aging research. Genetic studies have revealed many genes with conserved effects ...

יישומים של הדפסה בתלת-ממד עבור התקני תרבית תאים עצביים בקנה מידה זעיר

Two-Photon Polymerization 3D-Printing of Micro-scale Neuronal Cell Culture Devices

Neuronal cultures have been a reference experimental model for several decades. However, 3D cell arrangement, spatial constraints on neurite outgrowth, and realistic synaptic connectivity are missing. The latter limits the study of structure and function in the context of compartmentalization and diminishes the significance of cultures in neuroscience. Approximating ex vivo the structured anatomical arrangement of synaptic connectivity is not trivial, despite being key for the emergence of rhythms, synaptic plasticity, and ultimately, brain pathophysiology. Here, two-photon polymerization (2PP) is employed as a 3D printing technique, enabling the rapid fabrication of polymeric cell culture devices using polydimethyl-siloxane (PDMS) at the micrometer scale. Compared to conventional replica molding techniques based on microphotolitography, 2PP micro-scale printing enables rapid and affordable turnaround of prototypes. This protocol illustrates the design and fabrication of PDMS-based microfluidic devices aimed at culturing modular neuronal networks. As a proof-of-principle, a two-chamber device is presented to physically constrain connectivity. Specifically, an asymmetric axonal outgrowth during ex vivo development is favored and allowed to be directed from one chamber to the other. In order to probe the functional consequences of unidirectional synaptic interactions, commercial microelectrode arrays are chosen to monitor the bioelectrical activity of interconnected neuronal modules. Here, methods to 1) fabricate molds with micrometer precision and 2) perform in vitro multisite extracellular recordings in rat cortical neuronal cultures are illustrated. By decreasing costs and future widespread accessibility of 2PP 3D-printing, this method will become more and more relevant across research labs worldwide. Especially in neurotechnology and high-throughput neural data recording, the ease and rapidity of prototyping simplified in vitro models will improve experimental control and theoretical understanding of in vivo large-scale neural systems.

מחבר זרקור: רשתות עצביות מודולריות לניתוח תפקודי מוח

3D printing at the micrometer scale enables rapid prototyping of polymeric devices for neuronal cell cultures. As a proof-of-principle, structural connections between neurons were constrained by creating barriers and channels influencing neurite outgrowth, while the functional consequences of such manipulation were observed by extracellular electrophysiology.

פילמור שני פוטונים הדפסה תלת-ממדית של התקני תרבית תאים עצביים בקנה מידה מיקרוני

Neuronal cultures have been a reference experimental model for several decades. However, 3D cell arrangement, spatial constraints on neurite outgrowth, ...