Wissenschaftler am US-amerikanischen Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben entdeckt, dass künstliche Zellmembranen eine direkte Rolle bei Lern- und Gedächtnisprozessen übernehmen können. Wie das Forschungsteam zeigen konnte, weisen einfache Lipid-Doppelschichten elektrische Eigenschaften auf, die bislang primär komplexen neuronalen Systemen zugeschrieben wurden. Die Entdeckung basiert auf einer jahrelangen Zusammenarbeit in den Materialwissenschaften und der Neutronenforschung. Die Ergebnisse könnten nicht nur das Verständnis neurologischer Erkrankungen nachhaltig verändern, sondern auch die Entwicklung neuromorpher, an das menschliche Gehirn angelehnter Computerarchitekturen entscheidend voranbringen.
- Forscher am Oak Ridge National Laboratory wiesen lern- und gedächtnisähnliche Verhaltensweisen in einfachen Lipid-Doppelschichten nach.
- In derselben Membran traten gleichzeitig Memristanz und Memkapazität auf.
- Künftige Testreihen mit Neutronenstreuung und Lithium sollen den Einfluss auf Ionenkanäle entschlüsseln.
Jahrelange Vorarbeiten ebneten den Weg zur Entdeckung
Die aktuelle Veröffentlichung ist das Ergebnis einer langfristigen wissenschaftlichen Kooperation. John Katsaras, Spezialist für Neutronenstreuung, untersucht seit vier Jahrzehnten die Struktur und Dynamik von Lipidmembranen. Gemeinsam mit Pat Collier, Ingenieur am Center for Nanophase Materials Sciences, untersuchte er Systeme weicher Materie für die Nutzung in der neuromorphen Datenverarbeitung. Vor etwa fünf Jahren intensivierten die Forscher ihre Zusammenarbeit an der Schnittstelle von Biologie und Materialwissenschaften.
Erste Versuche mit Wassertropfen in Öl – sogenannten Tröpfchen-Grenzflächen-Doppelschichten – zeigten unter elektrischer Stimulation unerwartete Verhaltensmuster. In den Folgejahren verdichteten sich die Anzeichen für gedächtnisähnliche Zustände in künstlichen Membranen. Bereits 2022 wiesen die Wissenschaftler nach, dass Lipid-Doppelschichten zentrale Eigenschaften eines Langzeitgedächtnisses imitieren können. Mechanische und elektrische Reize führten dazu, dass sich stabile Speicherzustände ausbildeten. In Kooperation mit der Louisiana State University nutzte das Team zudem Rotaxane – lichtgesteuerte molekulare Schalter –, um Membranen gezielt zwischen Lern- und Speicherzuständen umzustrukturieren.
Lipidschichten steuern aktiven Ionenfluss und bilden Speicherzustände
Die neuen Beobachtungen belegen, dass Zellmembranen keine passiven Hüllen sind, sondern die Steuerung von Ionenströmen durch Membranproteine aktiv regulieren. Den Forschern gelang es, elektrische Phänomene nachzuweisen, deren Widerstands- und Kapazitätswerte von der Historie der angelegten Spannung abhängen.
Besonders bedeutsam ist der Nachweis, dass Memristanz und Memkapazität gleichzeitig innerhalb unterschiedlicher Abschnitte derselben Membran auftreten können.
Für die Materialforschung impliziert dies, dass weiche biologische Strukturen selbst als Speicher- und Schaltelemente dienen können. Während in einem Membranbereich eine Lipid-Doppelschicht als Memspeicher-Widerstand fungiert, kann sie in einem anderen Bereich als Memspeicher-Kondensator arbeiten. Dies könnte die Entwicklung völlig neuer Klassen intelligenter, flexibler Sensoren und neuromorpher Schaltkreise beschleunigen.
Künftige Experimente erforschen die Wirkung von Lithium
Für die anstehende Forschungsphase plant das Team den gezielten Einsatz von Neutronenstreuung am ORNL. Mit dieser Technik lassen sich strukturelle Veränderungen von Membranmolekülen zerstörungsfrei auf atomarer Ebene messen. Die Wissenschaftler wollen detailliert abbilden, wie Moleküle den Durchfluss von Kaliumionen regulieren – vergleichbar mit einem Ventil für Wasser.
Ein zentraler Bestandteil der kommenden Versuche ist die Wechselwirkung der Membranen mit Lithium. Das Leichtmetall wird in der Medizin seit Langem zur Behandlung bipolarer Störungen eingesetzt und steht zudem im Fokus der Forschung zu neuroprotektiven Effekten bei Erkrankungen wie Alzheimer. Die Forscher erhoffen sich aus den Tests neue Aufschlüsse darüber, wie Lithium in künstlichen Synapsen eingesetzt werden kann, um biomimetische Verbindungen in neuartigen Computern zu realisieren.
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