Создание мозгового синапса как экспериментальное доказательство существования компьютера, похожего на мозг из воды и соли
Физикам удалось построить искусственный синапс, который работает с водой и солью и является первым доказательством того, что система, использующая ту же среду, что и наш мозг, может обрабатывать сложную информацию. Устройство, получившее название ионтронный мемристор, представляет собой микроканал конической формы, заполненный раствором воды и соли. При получении электрических импульсов ионы внутри жидкости мигрируют через канал, что приводит к изменению концентрации самих ионов. В зависимости от интенсивности (или продолжительности) импульса проводимость канала корректируется, отражая усиление или ослабление связей между нейронами. Степень изменения проводимости служит измеримым представлением входного сигнала. Длина канала влияет на продолжительность, необходимую для исчезновения изменений концентрации. Это даёт возможность адаптации каналов для сохранения и обработки информации.
Графическое изображение синапса. Синапс состоит из коллоидных сфер с наноканалами между ними.
Предоставлено: Утрехтский университет.
Физикам-теоретикам Утрехтского университета вместе с физиками-экспериментаторами Университета Соганг в Южной Корее удалось построить искусственный синапс. Этот синапс работает с водой и солью и является первым доказательством того, что система, использующая ту же среду, что и наш мозг, может обрабатывать сложную информацию.
Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Стремясь повысить энергоэффективность обычных компьютеров, ученые уже давно обращаются за вдохновением к человеческому мозгу. Они стремятся подражать его исключительным возможностям различными способами.
Эти усилия привели к разработке компьютеров, подобных мозгу, которые отходят от традиционной двоичной обработки и используют аналоговые методы, подобные нашему мозгу. Однако, хотя наш мозг работает, используя в качестве среды воду и растворенные частицы соли, называемые ионами, большинство современных компьютеров, основанных на мозге, полагаются на обычные твердые материалы.
Возникает вопрос: не могли бы мы добиться более точного воспроизведения работы мозга, применив ту же самую среду? Эта интригующая возможность лежит в основе растущей области ионтронных нейроморфных вычислений.
Искусственный синапс
В последнем исследовании, опубликованном в PNAS, ученые впервые продемонстрировали систему, зависящую от воды и соли, которая демонстрирует способность обрабатывать сложную информацию, отражая функциональность нашего мозга. Центральное место в этом открытии занимает миниатюрное устройство размером 150 на 200 микрометров, которое имитирует поведение синапса — важного компонента мозга, ответственного за передачу сигналов между нейронами.
Тим Камсма, доктор философии. Кандидат Института теоретической физики и Математического института Утрехтского университета и ведущий автор исследования выражает свое волнение, заявляя: «Хотя искусственные синапсы, способные обрабатывать сложную информацию, уже существуют на основе твердых материалов, теперь мы показываем, что Впервые этот подвиг может быть достигнут с использованием воды и соли. Мы эффективно воспроизводим поведение нейронов, используя систему, которая использует ту же среду, что и мозг».
Микроскопическое изображение искусственного синапса.
Предоставлено: Утрехтский университет.
Ионная миграция
Устройство, разработанное учеными из Кореи и получившее название ионтронный мемристор, представляет собой микроканал конической формы, заполненный раствором воды и соли. При получении электрических импульсов ионы внутри жидкости мигрируют через канал, что приводит к изменению концентрации ионов.
В зависимости от интенсивности (или продолжительности) импульса проводимость канала соответствующим образом корректируется, отражая усиление или ослабление связей между нейронами. Степень изменения проводимости служит измеримым представлением входного сигнала.
Дополнительный вывод заключается в том, что длина канала влияет на продолжительность, необходимую для исчезновения изменений концентрации. «Это предполагает возможность адаптации каналов для сохранения и обработки информации в течение разной продолжительности, что опять же похоже на синаптические механизмы, наблюдаемые в нашем мозге», — говорит Камсма.
Происхождение этого открытия можно проследить до идеи Камсмы, который недавно начал свою докторскую диссертацию. Он преобразовал эту концепцию, основанную на использовании искусственных ионных каналов для задач классификации, в надежную теоретическую модель.
«По совпадению, в тот период наши пути пересеклись с исследовательской группой в Южной Корее», — говорит Камсма. «Они восприняли мою теорию с большим энтузиазмом и быстро начали основанную на ней экспериментальную работу».
Примечательно, что первоначальные результаты материализовались всего три месяца спустя, что полностью совпало с предсказаниями, изложенными в теоретической базе Камсмы. «Я подумал: вау!» он размышляет. «Невероятно приятно наблюдать переход от теоретических предположений к осязаемым реальным результатам, что в конечном итоге привело к этим прекрасным экспериментальным результатам».
Значительный шаг вперед
Камсма подчеркивает фундаментальный характер исследования, подчеркивая, что ионтронные нейроморфные вычисления, хотя и переживают быстрый рост, все еще находятся в зачаточном состоянии. Предполагаемый результат — компьютерная система, значительно превосходящая по эффективности и энергопотреблению современные технологии. Однако вопрос о том, воплотится ли это видение в жизнь, на данном этапе остается спекулятивным. Тем не менее, Камсма рассматривает публикацию как значительный шаг вперед.
«Это представляет собой решающий шаг вперед в направлении компьютеров, способных не только имитировать модели общения человеческого мозга, но и использовать ту же среду», — утверждает он. «Возможно, это в конечном итоге проложит путь к компьютерным системам, которые более точно воспроизведут необычайные возможности человеческого мозга».
