Графическое изображение искусственного синапса, созданного в рамках нового исследования. Синапс (обведен фиолетовым) состоит из коллоидных сфер, соединенных наноканалами. © Утрехтский университет Исследователи разработали искусственный синапс, который эффективно передает информацию с помощью воды и ионов, подобно синапсам в нашем мозге. Это первое экспериментальное доказательство концепции, предназначенной для так называемых «ионтронных нейроморфных» вычислительных систем, нацеленных на повышение […]
Запись Впервые протестирована компьютерная система, работающая как мозг (с водой и ионами) впервые опубликована на сайте Про технологии.
Графическое изображение искусственного синапса, созданного в рамках нового исследования. Синапс (обведен фиолетовым) состоит из коллоидных сфер, соединенных наноканалами. © Утрехтский университет
Исследователи разработали искусственный синапс, который эффективно передает информацию с помощью воды и ионов, подобно синапсам в нашем мозге. Это первое экспериментальное доказательство концепции, предназначенной для так называемых «ионтронных нейроморфных» вычислительных систем, нацеленных на повышение энергоэффективности обычных компьютеров.
С целью повышения энергоэффективности компьютеров в настоящее время ведутся исследования в области нейроморфных вычислений, которые, как следует из названия, имитируют то, как мозг обрабатывает информацию. Помимо прочего, этот тип систем отходит от традиционной двоичной обработки, используя аналоговый метод, близкий к мозговому. Эта задача приобрела первостепенное значение в связи с энергопотреблением компьютеров, которое растет экспоненциальными темпами по мере появления новых технологий (таких, как блокчейн и ИИ).
Среди изучаемых технологий — мемристоры, пассивные электронные компоненты, которые ограничивают поток электричества в цепи. Они могут сохранять память без подключения к источнику питания и сохранять проходящие через них электрические импульсы, даже когда они деактивированы (или выключены). Поэтому они могут стать перспективными искусственными аналогами биологических синапсов. Они передают нервные сигналы от одного нейрона к другому с помощью ионных нейротрансмиттеров.
Однако до сих пор эти устройства имели серьезные ограничения, связанные с их структурой, которая, по сути, состоит из полупроводников. Это означает, что они могут передавать только электрическую информацию, в отличие от синапсов, которые могут передавать как электрические, так и химические (нейротрансмиттеры) сигналы. Кроме того, в отличие от синапсов, которые функционируют в водной среде, содержащей широкий спектр нейромедиаторов, обычные мемристоры значительно ограничены в средах, в которых их можно использовать.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи из Утрехтского университета (Нидерланды) и Университета Соганг (Южная Корея) предлагают новую концепцию ионтронных нейроморфных вычислений. Эта система вдохновлена не только архитектурой синапсов, но и водной средой, в которую они погружены для передачи нервных сигналов. Ионтронные устройства используют ионы, движущиеся в жидкости, для передачи информации, потенциально обеспечивая ту же производительность и пластичность, что и естественные синапсы.
«Это важнейший шаг на пути к созданию компьютеров, способных не только имитировать способ коммуникации человеческого мозга, но и использовать ту же среду«, — объясняет ведущий автор исследования Тим Камсма в пресс-релизе Утрехтского университета.
Ионтронные мемристоры могут стать универсальными носителями информации, которые можно регулировать химическим способом. Недавнее исследование также показало, что, точно имитируя естественные синапсы, они могут быть интегрированы в биологические системы.
Хотя в прошлом было предложено несколько устройств такого типа, экспериментальные демонстрации оставались ограниченными. В новом исследовании ученые предлагают более стабильное устройство, способное передавать информацию в течение длительных периодов времени, что облегчает его адаптацию к компьютерным системам. «Хотя искусственные синапсы, способные обрабатывать сложную информацию, уже существуют на основе твердых материалов, мы впервые показали, что этого можно достичь и с помощью воды и [ионов] соли«, — объясняет Камсма.
Устройство, описанное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, состоит из крошечного аппарата длиной 200 микрометров и шириной 150 микрометров. Оно состоит из конусообразного микроканала, заполненного ионным раствором. Синапс состоит из коллоидных сфер, соединенных наноканалами. При подаче электрического импульса в систему ионы перемещаются по каналу, вызывая изменение концентрации ионов в растворе.
Микроскопическое изображение искусственного синапса. © Тим Камсма и др.
«Мы эффективно воспроизводим поведение нейронов с помощью системы, которая использует ту же среду, что и мозг«, — говорит Камсма. На самом деле, проводимость канала меняется параллельно концентрации ионов в растворе, имитируя изменения в связях между естественными синапсами. По мнению экспертов, степень изменения проводимости отражает характер передаваемого электрического импульса.
Кроме того, длина канала влияет на время, необходимое для миграции ионов из раствора. «Это говорит о возможности адаптации каналов для удержания и обработки информации в течение разной длительности, подобно синаптическим механизмам, наблюдаемым в нашем мозге«, — объясняет эксперт.
Однако, несмотря на эти достижения, ионтронные нейроморфные вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии. Несмотря на предположения, что этот тип технологии может значительно снизить энергопотребление компьютеров, возможные области применения остаются в значительной степени умозрительными, по крайней мере, на данный момент. Тем не менее «наши результаты представляют собой важный шаг на пути к реализации перспектив использования флюидных ионных каналов в качестве платформы для эмуляции насыщенной водной динамики мозга«, — заключают Камсма и его коллеги в своей статье.
Запись Впервые протестирована компьютерная система, работающая как мозг (с водой и ионами) впервые опубликована на сайте Про технологии.