《Journal of Electroanalytical Chemistry》：DNA functionalized nanofluidic memristors for emulation of synaptic Behaviors
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基于DNA修饰固态纳米孔的纳米流体ic memristor通过电动力学调控DNA插入/退出，实现离子导通的可逆调节。全原子分子动力学模拟显示该设备可精确复现突触可塑性（PPD、STD、LTP、LTD）和经典条件反射，并通过电压脉冲幅值和数量实现多级非易失性导电态调控。DNA修饰纳米孔为离子基神经形态器件开发提供了新平台。
张寅|陈永志
中国东南大学精密医学设备设计与制造江苏省重点实验室及机械工程学院，南京211189
摘要
纳米流体忆阻器通过调节离子传输来模拟神经可塑性行为，为基于离子的神经形态计算提供了有前景的途径。在本研究中，我们提出了一种基于DNA功能化固态纳米孔的纳米流体忆阻器，并通过全原子分子动力学模拟研究了其忆阻特性。DNA分子在纳米孔中的电动力学驱动插入和抽出实现了离子导电性的可逆和可控调节。该纳米流体忆阻器在其电流-电压响应中表现出特征性的“夹心”迟滞现象，能够模拟多种形式的突触行为，包括配对脉冲抑制、短期抑制、长期增强、长期抑制以及经典条件反射。此外，纳米流体忆阻器具有多级非易失性导电状态，这些状态可以通过施加电压脉冲的次数或幅度来精确调控，从而实现模拟突触权重的调节。这些结果突显了DNA功能化纳米孔作为纳米流体神经形态设备的有前景且多功能平台，并为基于离子的学习和记忆功能的实现提供了新的见解。
章节摘录
说明
在大脑中，离子通道通过调节各种类型离子的跨膜传输在神经信息传递中起着关键作用。它们确保了神经元之间的高效通信，并赋予生物神经网络卓越的并行处理能力和超低能耗。受生物神经系统的启发，神经形态计算架构作为一种超越摩尔定律的未来计算策略应运而生[1]、[2]、[3]。忆阻器的导电性...
方法
在本研究中，我们采用了基于Visual Molecular Dynamics (VMD)的全原子分子动力学模拟进行模型构建，并使用Nanoscale Molecular Dynamics (NAMD)作为模拟引擎。模拟系统采用六边形配置，并在所有方向上应用了周期性边界条件。所有模拟均使用CHARMM36力场以及CUFIX修正来描述氮化硅膜、DNA分子、TIP3P水分子和离子。系统通过VMD Solvate插件进行溶剂化处理。
结果
图1(a)展示了纳米流体忆阻器的分子动力学配置，其中固态纳米孔被一条双链DNA链功能化。在正向跨膜偏压下，电泳力驱动双链DNA部分阻塞了纳米孔，从而阻断了离子传输，使纳米流体忆阻器进入低导电状态。相反，当施加负偏压时，电泳力将双链DNA从纳米孔中拉出，
结论
在这项工作中，我们利用全原子分子动力学模拟开发了一种基于DNA功能化固态纳米孔的纳米流体忆阻器。通过精确控制DNA分子的电动力学运动，该设备实现了孔导电性的可逆和可编程调节。此外，纳米流体忆阻器成功模拟了包括配对脉冲抑制(PPD)、短期抑制(STD)、长期增强(LTP)和长期抑制(LTD)在内的生物神经突触可塑性现象。值得注意的是，通过调节施加电压脉冲的参数，...
CRediT作者贡献声明
张寅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，方法论，资金获取，概念构思。陈永志：可视化，验证，研究，形式分析，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52475588）和江苏省自然科学基金（项目编号：BK20220129）的财政支持。
