Mākslīgais Neirona Lēciens: Zinātnieki Radījuši Silīcija Kaut Dzīva Izskata Čipu
Aizraujoša inovācija nāk no Masačūsetsas Universitātes (UMass) Amherstā, kur amerikāņu inženieri ir sasnieguši jaunu pavērsienu mākslīgā intelekta (MI) attīstībā. Viņi izstrādājuši mākslīgu neironu, kas ne vien atdarina, bet arī faktiski saskaņojas ar saviem bioloģiskajiem kolēģiem gan izmēra, gan enerģijas patēriņa, signālu stipruma un reakcijas laika ziņā uz ķīmiskiem stimuliem.
Neironi, tie apbrīnojamie bioloģiskie vienības, kas atbild par mūsu domām, jūtām un kustībām, veic sarežģītu komunikāciju milzīgos tīklos, izmantojot gan elektriskus, gan ķīmiskus signālus. Kā norāda pētījuma vadošais autors Šuai Fu, “Mūsu smadzenes apstrādā milzīgu datu apjomu. Tomēr to enerģijas patēriņš ir ārkārtīgi zems, īpaši salīdzinājumā ar elektrības daudzumu, kas nepieciešams lielas valodu modeļa, piemēram, ChatGPT, darbībai.” Šis salīdzinājums uzsver bioloģisko sistēmu iespaidīgo efektivitāti.
Memristora Noslēpums: Baktēriju Spēks un Zems Enerģijas Patēriņš
Šī jaunā mākslīgā neirona radīšanas pamatā ir memristors – atmiņu saturošs rezistors, kas izgatavots, izmantojot proteīnu nanovadus, kuri iegūti no mikrobiem Geobacter sulfurreducens. Šī unikālā baktērija spēj veidot vadošus nanizmiera vadus. Integrējot tos memristorā, ievērojami tiek samazināts nepieciešamais spriegums pārslēgšanai. Rezultāts? Memristors spēj darboties ar aptuveni 60 mV spriegumu un mazām, aptuveni 1,7 nA strāvām – rādītāji, kas ir ievērojami tuvi reālo neironu parametriem.
“Iepriekšējās mākslīgo neironu versijas patērēja desmit reizes vairāk sprieguma un simts reizes vairāk enerģijas nekā mūsu izstrādājums. Mūsu uztver tikai 0,1 V, kas aptuveni atbilst mūsu organismā esošo neironu spriegumam,” uzsver pētījuma korespondējotautors Dzjuns Jao.
Bioloģiskās Simulācijas: No Signāliem Līdz Neirobmodulācijai
Lai atdarinātu neirona elektriskās aktivitātes dažādās fāzes, pētnieki integrēja memristoru vienkāršā rezistīvi-kapacitatīvā ķēdē. Šī pieeja ļāva memristoram iziet lādiņa integrācijas posmus: lēnu uzkrāšanos pirms neirona aktivācijas, strauju depolārizāciju, īsu impulsu aktivācijas brīdī un repolārizāciju – atgriešanos miera stāvoklī un gatavību nākamajam impulsam. Un, gluži kā īstam neironam, šī konstrukcija nodrošināja arī refrakterā perioda jeb īsas pauzes pēc aktivācijas iekļaušanu.
Tālāk tika pievienoti ķīmiskie sensori, kas spēj noteikt jonus, īpaši nātriju, un neirotransmitētājus, piemēram, dopamīnu. Reaģējot uz šiem signāliem, sensori mainīja ķēdes elektriskās īpašības. Tas imitiē to, kā reāli neironi pielāgo savu darbību atkarībā no apkārtējās vides ķīmiskajiem signāliem – process, kas pazīstams kā neirobmodulācija. Tas atver durvis uz daudz smalkāku un adaptīvāku mākslīgo kognitīvo sistēmu izveidi.
Sinerģija Ar Bioloģiju: Sirds Šūnas Un Medicīnas Potenciāls
Intriģējošākais solis bija mākslīgā neirona savienošana ar reālām cilvēka sirds muskuļu šūnām – saraujošiem kardiomiocītiem. Zinātnieki demonstrēja, kā viņu radītais neirons spēj atpazīt bioloģiskus signālus reālajā laikā, piemēram, konstatējot kardiomiocītu aktivitātes izmaiņas, reaģējot uz noradrenalīnu. Šī spēja tieši mijiedarboties ar bioloģiskām sistēmām ir milzīgs solis uz priekšu.
“Šobrīd mums ir pieejamas dažādas valkājamas elektroniskās sensoru sistēmas, taču tās ir salīdzinoši apgrūtinošas un neefektīvas,” skaidro Dzjuns Jao. “Katru reizi, kad tās uztver signālu no mūsu ķermeņa, tām tas ir elektriski jāpastiprina, lai dators to varētu analizēt. Šis starpposma pastiprināšanas posms palielina gan enerģijas patēriņu, gan ķēdes sarežģītību. Taču sensori, kas balstīti uz mūsu zemssprieguma neironiem, to var veikt pilnīgi bez pastiprināšanas.”
Lai gan prototips ir agrīnā izstrādes stadijā un eksperimenti veikti kontrolētos laboratorijas apstākļos, nevis dzīva organisma vidē, šī tehnoloģija ir ārkārtīgi daudzsološa. Tā varētu kļūt par pamatu nākotnes ierīču tehnoloģijām, kas apvienos elektroniku un bioloģiju. Šādi mākslīgie neironi nākotnē varētu palīdzēt atjaunot vai aizstāt bojātas smadzeņu neironu ķēdes, uzlabot neiro-datoru saskarnes vai kalpot kā sensori, kas reālā laikā uzrauga šūnu stāvokli un reakciju uz medikamentiem. Pateicoties ļoti zemajam enerģijas patēriņam un darbībai bioloģisko signālu līmenī, šādi mākslīgie neironi varētu izraisīt daudz efektīvāku skaitļošanas aprīkojuma radīšanu, kas cieši līdzinātos smadzeņu darbības principiem.
Pētījuma rezultāti publicēti prestižajā žurnālā Nature Communications.