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».

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».