NIMSなど、シナプスの結合強度を電気信号で制御する「シナプス素子」を開発

物質・材料研究機構(NIMS)国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の大野武雄博士研究員、長谷川剛主任研究者、青野正和拠点長らの研究グループは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のJ.ジムゼウスキー教授と共同で、脳の神経活動の特徴である2つの現象「必要な情報の記憶」と「不要な情報の忘却」を1つの素子で自律的に再現する「シナプス素子」の開発に成功したことを発表した。同成果は、英国科学雑誌「Nature Materials」のオンライン速報版で公開された。

脳の神経回路は常に変化しているが、そのうちのシナプスの結合強度の変化は記憶に関する重要な仕組みの1つであると考えられており、脳型回路やその基本素子の開発におけるシナプス活動の再現は重要な課題となっている。従来までのシナプス動作は、トランジスタや抵抗・コンデンサなどを組み合わせた電子回路、そしてソフトウェアによるプログラミングによって人工的に模倣されていたため、人間によって設計された通りの動作しかできなかった。

今回の研究で開発された「シナプス素子」は、金属電極とイオン・電子混合伝導体電極で構成されており、電気信号の入力頻度に依存したイオンの動きを利用し、電極間に形成される金属原子架橋の状態(シナプスの結合強度:コンダクタンス)を電気信号の入力頻度によって制御することが可能な素子で、低頻度(例えば20秒間隔)でパルス電圧を入力すると結合強度は一時的に増大し、その後初期値に向かい減少する。

また、高頻度(例えば2秒間隔)でパルス入力を行った場合、結合強度の増大した状態が長時間持続するが、こうした変化は、神経回路におけるシナプスの結合強度の変化と一致し、それぞれ短期可塑性および長期増強に相当することが研究により判明した。

同シナプス素子の特性は、研究グループが以前から研究しているイオンと原子の移動を制御した素子「原子スイッチ」を用いて得られたもの。原子スイッチに十分大きな電圧信号を入力すると、硫化銀と白金の電極間に銀原子で構成された原子スケールの結合(銀原子架橋)が安定的に形成されるが、今回は、脳内のシナプス活動時に観測される活動電位程度の小さなパルス電圧をシナプス素子に入力することで、不安定な銀原子架橋の形成とその後の自然消滅を実現した。この場合の結合強度の変化は、シナプスの短期可塑性に相当するほか、パルス電圧の高頻度な入力は銀原子架橋の安定形成を誘発し、その結果として長期増強が発生するという。

また、今回の成果の重要なポイントは、シナプス素子が回路設計、他の電子回路およびプログラミングなどを一切必要としないことにあると研究グループでは説明している。

さらに研究グループでは、実験心理学における人間の記憶に関する二重貯蔵モデルを同シナプス素子を用いて再現した。シナプス素子への情報入力を頻繁に繰り返すと、情報を継続的に保存する記憶システムである長期記憶として保持され、入力頻度が低い場合は短期記憶が形成される。

また、記憶された情報が時間経過とともに失われることを示す忘却曲線を実験的に得たほか、画像記憶のデモンストレーションを行い、記憶と忘却の仕組みの再現に対するシナプス素子の有用性も示した。

将棋やチェスの試合で、短時間にすべての手を計算してしまうコンピュータと対等な勝負を人間ができるのは、人間が過去の経験に基づいた直感的な判断をしているからであり、シナプス素子は、この直感的な判断をするコンピュータの開発を可能とすることから、今回の成果はこれまでの人工脳型回路のデザインを大きく変える可能性を示したもので、研究グループでは今後、シナプス素子のネットワーク化を進める予定としており、単体で動作するナノスケールのシナプス素子を用いることで、脳内の神経回路と同様な3次元回路への集積化も容易になるとしている。