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Publié par Jean-Pierre FORESTIER

L’essentiel

De nombreux travaux portent sur la création de circuits électroniques bio-inspirés à partir d’une synapse.

Le plus simple est le Memristor, le plus élaboré pourrait bien être la « synapse électronique » contenant un matériau ferroélectrique entre ses armatures.

 

Memristor

Plusieurs articles situés aux frontières entre les neurosciences et l’informatique, dont celui il va principalement faire l’objet de cet article 16. 

… font référence au Memristor.

 

Le premier aurait été proposé, en 1971, par Leon O. Chua de l’université de Californie (Berkeley USA) dans l’article intitulé « Memristor: l'élément manquant du circuit: » (Memristor-the missing circuit element,)

… complété par un autre au titre tout aussi énigmatique : Le circuit chaotique le plus simple : « Simplest choatic circuit » 

… agrémenté de jolies courbes.

   

Un Memristor, c'est quoi ?
 

À vrai dire, je ne le sais pas exactement ! J’ai juste compris qu’il s’agit d’un « élément actif non linéaire » placé dans un circuit fermé autonome ...

 

 

 

 

 

... utilisant deux énergies emmagasinées

- d’une part dans un inducteur [énergie d’un champ magnétique] VL

- et d’autre part dans un condensateur [énergie d’un champ électrique] Vc

    Emmagasiner des énergies électromagnétiques fait bien penser à une mise « mémoire ».
 

Condensateur. Matériau diélectrique

Un condensateur comme celui utilisé par Chua (Vc), est un composant électronique permettant d’emmagasiner des charges électriques entre ses armatures quand il est soumis à une différence de potentiel UAB
 

La substance qui est entre les armatures, et qui permet au condensateur d’avoir ces propriétés électroniques, est « diélectrique », Par exemple, le verre, des céramiques, des « plastiques » comme le polypropylène, les « résines d'époxy », selon les fonctions et la taille du condensateur.

Un matériau isolant ne conduit pas l’électricité

Un matériau conducteur conduit l’électricité

Un matériau diélectrique est isolant, mais un champ électrique extérieur provoque une polarisation de ce matériau.

Un matériau ferroélectrique est également diélectrique.  mais sa polarisation peut être modifiée sous l’effet d’un champ électrique extérieur. Au niveau moléculaire (ou d’un « compartiment »), le champ électrique permanent (polarisation permanente) est la conséquence de la non coïncidence spatiale du barycentre des charges négatives et des charges positives. La plasticité d’un matériau ferroélectrique lui permet à la structure spatiale de celui-ci d’être modifiée par un champ électrique extérieur, comme celui qui est entre les armatures d’un condensateur.

Cette modification se traduit par un changement de la polarisation du matériau ferroélectrique. Ce changement de polarisation décrit un cycle d’hystérésis.

Maintenant, que se passerait-il si un matériau ferroélectrique était placé entre les armatures d’un condensateur ? C’est un peu se qu’ont fait ...

   

Synapse électronique

… … Vincent Garcia avec ses prestigieuses équipes universitaires, du CNRS et de l’entreprise Thales, pour proposer des synapses électroniques basées sur le spike-timing-dependent plasticity (STDP) (voir 15.) et dont les résultats sont parus dans ...

 

... la prestigieuse revue Nature sous le titre    :
Learning through ferroelectric domain dynamics in solid-state synapses

Le matériau ferroélectrique utilisé est de
« l'oxyde mixte de bismuth et de fer stabilisé sous forme « super tetragonale » et permettant un « effet tunnel » : BFO

Le matériau, le BFO, en vert sur le schéma, est placé en « une fine couche » …
(de 10 à 90 nanomètres ?)
« entre deux électrodes », équivalentes aux pieds pré-synaptique et post synaptique,

ou plus trivialement entre les deux armatures d’un 
... condensateur, très sophistiqué ...

... dont « la résistance peut être ajustée par le biais d’impulsions électriques similaires à celles des neurones. »

… et permet de produire des latences (Δt) figure de droite équivalentes à celles observée pour les neurones (spike-timing-dependent plasticity), figure de gauche.

 

La courbe d’hystérésis, bien qu'un peu carrée, correspond à des propriétés ferroélectriques.

 

Images

Des images ont pu être créées à partir des réponses piézoélectriques du domaine ferroélectrique.

 

De leur côté, Bernabé Linares-Barranco et ses collègues des universités de Séville et de Barcelone (Espagne),

... soutenu par la Fondation Fyssen,  

… toujours en utilisant le principe du Memristor et des latences (Spike-time-dependent-plasticity)
 

… sont parvenus à mimer une rétine et enregistrer des personnes en train de marcher

  

Brevet IBM

Un brevet IBM porte également sur des Synapses électroniques pour l'apprentissage par renforcement (Electronic synapses for reinforcement learning)

… mais ne fait intervenir qu’un agencement particulier de connexions sans utiliser la ferroélectricité

Retour vers

Un retard, un temps de latence, entre le signal d’entrée (pré-synaptique) et le signal de sortie (post-synaptique) a été observé.

Cette latence est attribuée à la plasticité de la synapse, elle pourrait bien être conférée par la plasticité des protéines de mémoire mises en contact avec la synapse par le pied astrocytaire

Sans en décrire la cause, Hebb avait postulé que la trace mnésique était renforcée par la répétition de stimulations.  

Ce « renforcement des synapses » serait l’aboutissement par un empilement des retards en sortie, provoqué par une succession suffisamment rapide de signaux.

Une synapse biophysique bio-inspirée de notre mémoire inclurait une jonction astrocytaire.

Le signal électrique biophysique serait modifié

- par la proximité des champs électriques générés par le matériau ferroélectrique situé entre les armatures..

- par un signal astrocytaire biophysique

Des réseaux biophysiques incluraient à la fois des circuits de neurones et des circuits parallèles d’astrocytes  

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