Montante envolvidos:

Investimento total: 233.006,55€

Universidade do Porto                                                                          69.720,00€

Apoio FEDER:    59.262,00€                 

Apoio OE:         10.458,00€                 

INESC Microssistemas e Nanotecnologias – Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores para os Microssistemas e as Nanotecnologias             64.932,00€

Apoio FEDER:    25.972,80€                 

Apoio OE:         38.959,20€

INEB -  Instituto Nacional de Engenharia Biomédica                               64.932,00€

Apoio FEDER:    55.192,20€                 

Apoio OE:         9.739,80€

Localização do projeto: Norte e Lisboa, Portugal

Síntese do projeto:

NeuronMAP tem como objectivo o desenvolvimento da primeira plataforma neuro-eletrónica, capaz de efetuar interação bidirecional entre neurónios biológicos e elementos neuronais artificiais, com base em memristors à nano-escala. O nosso objetivo é produzir um sistema inovador que irá unir os mundos biológico e eletrónico. Este feito poderá fomentar grande progresso no estudo do cérebro humano e levar a soluções terapêuticas inovadoras face a distúrbios neurológicos.

Duas descobertas recentes estão na base deste objetivo altamente ambicioso. A primeira é a concretização de dispositivos memresistivos, cujas propriedades dinâmicas mimetizam sinapses biológicas [1] bem como o comportamento por pulsos do elemento mais fundamental do cérebro, o neurónio [2]. A segunda é a revolução atualmente em curso nas tecnologias de matrizes de microeléctrodos para a leitura de atividade neuronal, que traz capacidades sem precedente de interatuar com neurónios naturais [3].

Vão ser desenvolvidas sinapses artificiais com base em dispositivos memresistivos metal-isolador-metal de ponta. As sinapses biológicas são elementos dinâmicos que ajustam a intensidade de ligação entre dois neurónios ao longo do tempo [4,5]. De forma semelhante, a condutância elétrica do memristor ajusta-se dependendo da quantidade de carga elétrica que o atravessou previamente [6], tornando-o um excelente candidato para ser usado como sinapse artificial em sistemas neuromórficos [1,7,8]. Além disso, iremos fabricar neurónios artificias do tipo spiking. com base na arquitetura do neuristor usando memristors de Mott [2]. Apesar de os neurónios poderem ser fabricados usando tecnologia CMOS comum, não são nem escaláveis nem energeticamente eficientes. No caso das sinapses, a sua não-linearidade dinâmica não pode ser conseguida com sistemas CMOS [9]. O nosso plano de trabalho visa ultrapassar estas dificuldades usando as propriedades inovadoras dos memristors tanto para sinapses como para neurónios.

Para a medição e estimulação de atividade neuronal vamos produzir novas matrizes de multi-elétrodos baseadas nos progressos tecnológicos mais recentes na área. Os micro-elétrodos foram recentemente categorizados em intracelulares (boas leituras mas operação limitada no tempo) ou extracelulares (informação deficiente na medida mas operação a longo tempo). Para ultrapassar as limitações inerentes a ambas as abordagens, vamos usar micro-elétrodos de ouro com forma de cogumelo que mimetizam a forma e dimensão das colunas dendríticas [10]. Estes apresentam as qualidades de medição intracelular mantendo uma posição extracelular, possibilitando assim operação a longo prazo (até algumas semanas).

O nosso plano de trabalho vai focar-se em juntar estas descobertas inovadoras para alcançar a mencionada plataforma neuro-eletrónica. Isto vai ter lugar através de uma série de passos que, no fim, vão permitir fabricar sinapses memresistivas e neuristors para interagirem com culturas de células neuronais do hipocampo [11], investigando a viabilidade da comunicação natural-eletrónico e possibilitando o estudo de mecanismos de aprendizagem no cérebro.

Este plano requer capacidade e competência em vários ramos de materiais, nanotecnologia e biologia, portanto vai combinar esforços de grupos de investigação lideres nestas áreas. O IFIMUP tem uma larga experiência em deposição de filmes finos, transporte elétrico e caracterização estrutural de nanoestruturas [A,B]; o INESC-MN possui fortes conhecimentos em deposição de estruturas MIM ultra-finas (alguns planos atómicos), fabricação de dispositivos, ensaios-teste e optimização. [C]; o INEB é um instituto de investigação líder em engenharia biomédica, com uma larga experiência em nano-biomateriais, nano-medicina, bio-imagiologia e sinais médicos, directamente relevantes para o nosso trabalho [D,E]. Estes institutos têm já realizado colaborações intensivas em investigação entre eles, incluíndo nas áreas relevantes para este projecto, e portanto esperamos maximizar os resultados num período de tempo mínimo. NeuronMAP envolve também desde o início um elevado número de jovens investigadores (alunos de Doutoramento e Mestrado) que irão beneficiar do contacto directo com investigação e instalações de ponta. Os objectivos principais do projecto podem ser resumidos em:

-Fabricar memristors e neuristors em estruturas metal-isolador-metal de ponta, exibindo propriedades neuromórficas optimizadas, para serem usados como sinapses artificiais e neurónios artificias, respectivamente.

-Medir e estimular com sucesso actividade neuronal em culturas de células usando micro-elétrodos de forma de cogumelo fabricados.

-Realizar comunicação adaptativa num rede constituída por neurónios, tanto biológicos como artificiais, bem como sinapses electrónicas.

-Sondar redes com components artificiais e biológicos para estudar, in situ e em tempo real, comportamentos híbridos de aprendizagem e adaptação pela primeira vez.