Hydrogel efterligner den menneskelige hjerne med evnen til at huske og glemme

Forskere fra Hokkaido University har fundet et blødt og vådt materiale, der kan huske, hente, og glemme information, meget ligesom den menneskelige hjerne. De rapporterer deres resultater i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Den menneskelige hjerne lærer ting, men har en tendens til at glemme dem, når informationen ikke længere er vigtig. At genskabe denne dynamiske hukommelsesproces i menneskeskabte materialer har været en udfordring. Forskere fra Hokkaido University rapporterer nu om en hydrogel, der efterligner hjernens dynamiske hukommelsesfunktion:kodende information, der falmer med tiden afhængigt af hukommelsens intensitet.

Hydrogeler er fleksible materialer, der består af en stor procentdel vand - i dette tilfælde omkring 45% - sammen med andre kemikalier, der giver en stilladslignende struktur til at indeholde vandet. Professor Jian Ping Gong, Adjunkt Kunpeng Cui og deres studerende og kolleger ved Hokkaido Universitets Institut for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) søger at udvikle hydrogeler, der kan tjene biologiske funktioner.

"Hydrogeler er fremragende kandidater til at efterligne biologiske funktioner, fordi de er bløde og våde som menneskeligt væv, " siger Gong. "Vi er spændte på at demonstrere, hvordan hydrogeler kan efterligne nogle af hjernevævets hukommelsesfunktioner."

I dette studie, forskerne placerede en tynd hydrogel mellem to plastikplader; toppladen havde en form eller bogstaver skåret ud, efterlader kun det område af hydrogelen blotlagt. For eksempel, mønstre omfattede et fly og ordet "GEL." De anbragte først gelen i et koldt vandbad for at etablere ligevægt. Derefter flyttede de gelen til et varmt bad. Gelen absorberede vand i sin struktur og forårsagede en svulmning, men kun i det udsatte område. Dette prægede mønsteret, som er som et stykke information, på gelen. Når gelen blev flyttet tilbage til det kolde vandbad, det udsatte område blev uigennemsigtigt, at gøre de lagrede oplysninger synlige, på grund af det, de kalder "struktur frustration." Ved den kolde temperatur, hydrogelen krympede gradvist, frigiver det vand, den havde optaget. Mønstret forsvandt langsomt. Jo længere gelen blev efterladt i det varme vand, jo mørkere eller mere intens aftrykket ville være, og derfor jo længere tid det tog at falme eller "glemme" informationen. Holdet viste også, at varmere temperaturer forstærkede minderne.

"Dette ligner mennesker, " siger Cui. "Jo længere tid du bruger på at lære noget, eller jo stærkere er de følelsesmæssige stimuli, jo længere tid tager det at glemme det."

Holdet viste, at hukommelsen etableret i hydrogelen er stabil mod temperaturudsving og store fysiske strækninger. Mere interessant, glemmeprocesserne kan programmeres ved at indstille den termiske indlæringstid eller temperatur. For eksempel, når de anvendte forskellige indlæringstider på hvert bogstav i "GEL, "bogstaverne forsvandt sekventielt.

Holdet brugte en hydrogel indeholdende materialer kaldet polyampholytes eller PA-geler. Den huske-glemme adfærd opnås baseret på hurtig vandoptagelse og langsom vandfrigivelse, som er muliggjort af dynamiske bindinger i hydrogelerne. "Denne tilgang burde fungere for en række forskellige hydrogeler med fysiske bindinger, " siger Gong.

"Hydrogelens hjernelignende hukommelsessystem kunne udforskes til nogle applikationer, såsom forsvindende beskeder for sikkerheden, " tilføjede Cui.