周囲の環境に反応して動作を変えるシナプス素子を開発

人間や環境と対話する脳型コンピューター開発への貢献に期待

2012.05.24

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人科学技術振興機構

NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の研究グループは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校と共同で、環境に依存してその動作特性を変化させるシナプス素子の開発に成功しました。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の青野正和拠点長、長谷川剛主任研究者、寺部一弥グループリーダ、鶴岡徹MANA研究者、A. ナヤクポスドク研究員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 (米国) のJ.ジムゼウスキー教授と共同で、環境に依存してその動作特性を変化させるシナプス素子の開発に成功しました。
脳の神経活動の特徴である「必要な情報の記憶」と「不要な情報の忘却」は、ニューロン間を繋ぐシナプスの結合強度の変化によって実現されています。例えば、情報の入力頻度が高ければ強い結合がシナプスに形成され、しかも、その強い結合が長時間持続します。逆に入力頻度が低ければ、入力の度に一時的に弱い結合が形成されるに過ぎません。
生命体である人間は、環境と相互作用しながら生きています。その活動も、ニューロンやシナプスなどの神経細胞が環境に依存した動作をすることで実現されています。環境に依存してニューロンやシナプスの動作をする脳型素子が開発できれば、単に効率的に演算を行うだけでなく、環境とも相互作用する人間により近いコンピューターの開発が可能になります。
最近私たちは、金属イオンの移動とその酸化・還元反応を利用したシナプス動作素子の開発に世界で初めて成功しました^*)。今回、シナプス動作素子を構成する材料をパラメータとして、シナプス動作の特性を調べました。その結果、適切な材料を用いることで、温度や雰囲気などの環境に敏感に反応するシナプス動作を実現できることを見いだしました。

^*)

低消費電力で動作する高性能コンピューターの開発は、高度情報化社会の持続的発展を実現する上で不可欠であり、不揮発性コンピューターがその最有力候補として期待されています。脳型コンピューターは不揮発性コンピューターの究極形と言えますが、この度の成果は、生命体の様に環境とも相互作用する、従来のコンピューターの概念を超えた新しい脳型コンピューターの開発に資するものと期待されます。
本研究成果は、日本時間平成24年5月24日0 : 00までにドイツの科学雑誌「Advanced Functional Materials」のオンライン速報版で公開されます。

プレス資料中の図1 : シナプス動作の模式図。(a)神経回路におけるシナプス動作。活動電位がシナプス前細胞に到達すると神経伝達物質が放出され、それがシナプス後細胞に到達することでシナプス電位が発生する。シナプスの活動状態によってシナプス電位の発生の仕方は変化する。(b)原子スイッチによるシナプス動作。硫化銅中の銅イオンが原子として析出し、ナノメーター(nm)ギャップ中に銅原子架橋を形成する。銅原子架橋の状態によってシナプスの結合強度が変化する。銅原子 (イオン) が神経伝達物質の役割を果たす。