Штучний нейрон/Shuai Fu et al
Американські інженери з Массачусетського університету (UMass) в Амхерсті створили штучний нейрон, в усьому подібний до справжнього.
Цей штучний нейрон не просто імітує поведінку справжніх, а й відповідає їм за розмірами, енергоспоживанням, силою сигналів та часом реакції на хімічні збудники. Нейрони — це дивовижні біологічні пристрої, що забезпечують такі складні процеси, як мислення, емоції та рух, за допомогою спеціалізованої комунікації великими мережами з використанням електричних та хімічних сигналів.
“Наш мозок обробляє величезний обсяг даних. Але його енергоспоживання дуже і дуже низьке, особливо в порівнянні з кількістю електроенергії, необхідною для роботи великої мовної моделі, як ChatGPT”, — зазначає провідний автор дослідження Шуай Фу.
Штучний нейрон був створений на основі мемристора — запам’ятовувального резистора, створеного з використанням білкових нанодротів, отриманих з мікроба Geobacter sulfurreducens. Ця бактерія утворює провідні нанорозмірні дроти, які після інтеграції у мемристор значно знижують напругу, необхідну для перемикання. Це дозволяє мемристору працювати за напруги близько 60 мВ та за малого струму, близько 1,7 нА, що близько до реальних нейронів.
“Попередні версії штучних нейронів споживали у 10 разів більше напруги та у 100 разів більше енергії, ніж створена нами. Наш реєструє всього 0,1 В, що приблизно дорівнює напрузі нейронів у нашому організмі”, — підкреслює автор-кореспондент дослідження Цзюнь Яо.
Дослідники інтегрували мемристор у простий резистивно-конденсаторний ланцюг, щоб відтворити різні фази електричної активності нейрона. Таким чином мемристор проходив етапи інтеграції заряду: повільного наростання перед активацією нейрона, швидкої деполяризації, раптового імпульсу при активації нейрона та реполяризації — повернення у стан спокою та підготовки до наступного імпульсу.
Конструкція також дозволяла системі вмикати рефрактерний період — коротку паузу після активації, як у справжнього нейрона. Після цього дослідники додали хімічні датчики, здатні виявляти іони, зокрема, натрій, та нейротрансмітери, такі як дофамін. Датчики у відповідь змінювали електричні властивості ланцюга, імітуючи те, як реальні нейрони коректують власну поведінку, залежно від хімічних сигналів з навколишнього середовища — процес, відомий як нейромодуляція.
Після цього штучний нейрон під’єднали до реальних клітин людського серця — кардіоміоцитів, які скорочуються. Дослідники також продемонстрували, як штучний нейрон розпізнає біологічні сигнали в режимі реального часу, наприклад, виявляючи зміни активності кардіоміоцитів у відповідь на норадреналін.
“Зараз у нас є всілякі електронні сенсорні системи, що носяться, але вони порівняно громіздкі та неефективні. Щоразу, коли вони вловлюють сигнал від нашого тіла, їм доводиться електрично посилювати його, щоб комп’ютер міг його проаналізувати. Цей проміжний етап посилення збільшує як енергоспоживання, так і складність схеми, але датчики, створені на основі наших низьковольтних нейронів, можуть це робити взагалі без посилення”, — пояснює Цзюнь Яо.
Наразі прототип перебуває на ранній стадії розробки, а експерименти проводились у контрольованих лабораторних умовах. Система поки не готова до роботи в реальних умовах живого організму. Однак розробка може стати основною для технологій майбутніх пристроїв, які поєднуватимуть електроніку та біологію.
Ці нейрони одного разу зможуть допомогти відновити або замінити пошкоджені нейронні ланцюги мозку, покращити нейрокомп’ютерні інтерфейси або служити датчиками, які відстежують стан клітин та реакцію на ліки в режимі реального часу. Оскільки вони споживають дуже мало енергії та працюють на рівні біологічних сигналів, такі штучні нейрони можуть призвести до створення набагато ефективнішого обчислювального обладнання, що відповідає принципам роботи мозку.
Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Communications
Джерело: New Atlas
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.