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.
Эффективное воспроизведение поведения биологических синапсов
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.
