Изкуственият синапс се състои от колоидни сфери с нано-канали между тях
(илюстрация: Utrecht University)
За първи път учени създадоха изкуствен синапс. Изобретението дава шанс за изграждане на компютър, който работи на базата на физическите принципи на човешкия мозък.
Компютърните системи, базирани на физическите принципи на човешкия мозък, представляват интерес за учени и инженери, поради високата си енергийна ефективност. Предишни експерименти в тази област доведоха до направата та компютри, които имитират мозъчната дейност, но използват обикновени твърди материали.
Сега физици от университета в Утрехт, заедно с техни колеги от университета Соганг в Южна Корея, успяха да изградят изкуствен синапс. Резултатът от изследването е публикуван в списание „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS). Този синапс е първото доказателство, че система, използваща същата среда като нашия мозък, може да обработва сложна информация.
По време на изследването екипът е създал аналог на неврон с размери 150х200 микрона, който предава информация, използвайки йони във воден разтвор. Учените от PNAS наричат новото устройство йонен мемристор – той представлява коничен микроканал, пълен с разтвор от вода и сол.
Когато получат електрически импулси, йоните вътре в течността мигрират през канала, което води до промяна на концентрацията на йони. Проводимостта на канала може да се регулира в зависимост от интензивността или продължителността на импулса, отразявайки укрепването или отслабването на връзките между невроните.
Допълнителна констатация е, че дължината на канала влияе върху времето, необходимо за изчезване на промените в концентрацията. Това предполага, че каналите може да са в състояние да се адаптират, за да съхраняват и обработват информация с различна продължителност, отново подобно на синаптичните механизми, наблюдавани в нашите мозъци.
Водещият автор на изследването Тим Камсма от университета в Утрехт казва, че откритието е важно, тъй като използването на вода и сол за създаване на изкуствени синапси, способни да обработват сложни данни, разширява способността за моделиране на мозъчната активност и разкрива нови перспективи за изследвания в тази област.
Според изследователите от университета Соганг, тяхното новаторско откритие може да стане основа за създаване на високоефективни и енергоспестяващи компютърни системи, значително надминаващи съществуващите компютри.
Ролята на синапсите
Човешката нервна система съдържа около 100 милиарда неврони, които са свързани чрез разклонения – аксони и дендрити. Електрическият сигнал навлиза в неврона по дендритите и се предава по аксоните към следващите неврони. Мостът за предаване на импулс между аксона на един неврон и дендрита на друг се нарича синапс. Това е важен компонент на нервната система, който е отговорен за обучението.
Наскоро бяха направени различни опити за реализиране на синаптични характеристики с помощта на фероелектричен полеви транзистор, но досега не е докладван задълбочен физически анализ. Учените работят за създаване на изкуствени синапси за разработване на био-подобни системи за обработка на информация, способни да решават сложни проблеми като разпознаване, прогнозиране и моделиране на поведението.
Бъдещето развитие в тази област може да доведе до създаване на електронни устройства, които помагат на хората да предотвратят атрофия, загуба на усещане и увреждане на нервната тъкан.
Как се учат невроните
Двухибридният изкуствен синапс се състои от два меки полимерни електрода, разделени от улей, пълен с електролитен разтвор, който действа като синаптична цепнатина, разделяща комуникиращите неврони в мозъка. Когато живите клетки се поставят на един електрод, невротрансмитерите, които тези клетки освобождават, могат да реагират с този електрод, произвеждайки йони. Тези йони се движат през канала към втория електрод и модулират проводимото му състояние. Някои от промените продължават, имитирайки процеса на обучение, който се случва в природата.
Процесът имитира същия тип обучение, наблюдавано в биологичните синапси, което е много енергийно-ефективно, тъй като изчислението и съхранението на паметта се извършват в едно действие. В по-традиционните компютърни системи данните първо се обработват и след това се преместват в хранилище.
Мозък и компютър
Изследователите отдавна се стремят да подобрят енергийната ефективност на конвенционалните компютри, като прилагат принципите на човешкия мозък. Те се опитват да имитират неговите уникални възможности по различни начини. Усилията им доведоха до разработване на подобни на мозъка компютри, които се отдалечават от конвенционалния начин за двоична обработка на информация чрез използване на аналогови методи.
Въпреки това, докато човешкият мозък работи във водна среда с разтворени солни йони, повечето съвременни „мозъчни” компютри разчитат на обикновени твърди материали.
В компютрите процесорът и паметта са отделни компоненти, докато в мозъка невроните служат едновременно като хранилища и процесори за обработка на информация. Синапсите играят ключова роля в паметта, като променят конфигурацията и връзките между невроните. Това е основната разлика между архитектурата на човешкия мозък и компютъра, където промените в паметта не влияят на свойствата на обработката.
Изследванията в тази област подчертават две основни разлики между работата на мозъка и компютрите. По-специално, данните показват, че компютър с едно ядро изпълнява задачи последователно, докато мозъкът обработва информация паралелно. Благодарение на този паралелен подход мозъкът е в състояние да се включи в процесите на разпознаване и прогнозиране по-ефективно от конвенционален компютър.
Йонтронните невроморфни изчисления, въпреки че се развиват бързо, все още са в начален стадий. Очакваният резултат е компютърна система, която значително превъзхожда по отношение на ефективността и потреблението на енергия настоящите изчислителни системи.