Изкуствен синапс - специфичен контакт между мембраните на две клетки, от които поне едната е нервна - е изграден от теоретични физици от университета в Утрехт, заедно с експериментални физици от университета Соганг в Южна Корея.

Този синапс работи с вода и сол и предоставя първото доказателство, че система, използваща същата среда като нашия мозък, може да обработва сложна информация.

Резултатите се появяват в списание Proceedings of the National Academy of Sciences.

В стремежа си да подобрят енергийната ефективност на конвенционалните компютри учените отдавна се опитват да черпят идеи от човешкия мозък. Но подражават на изключителния му капацитет по различни начини.

Тези усилия довеждат до разработването на подобни на човешкия мозък компютри, които се отклоняват от традиционната двоична обработка, за да обхванат аналогови методи, подобни на нашите мозъци. Въпреки това, докато нашите мозъци работят, използвайки вода и разтворени солни частици (йони), като среда, повечето настоящи компютри, вдъхновени от човешкия мозък, разчитат на конвенционални твърди материали.

Това повдига въпроса: не бихме ли могли да постигнем по-вярно възпроизвеждане на работата на мозъка, като приемем същата среда? Тази интригуваща възможност е в основата на процъфтяващата област на изследване на йонтронните невроморфни изчисления.

Изкуствен синапс

В последното проучване, публикувано в PNAS, за първи път се демонстрира система, разчитаща на вода и сол, показваща способността да се обработва сложна информация, отразяваща функционалността на нашия мозък. В центъра на това откритие е миниатюрно устройство с размери 150 на 200 микрометра, което имитира поведението на синапса - основен компонент в човешкия мозък, отговорен за предаването на сигнали между невроните.

"Вече съществуват изкуствени синапси, способни да обработват сложна информация, базирани на твърди материали, но сега показваме за първи път, че това постижение може да бъде постигнато и с помощта на вода и сол. Ние ефективно възпроизвеждаме поведението на невроните, използвайки система, която използва същата среда като човешкия мозък", изразява вълнението си д-р Тим Камсма (Tim Kamsma) от Института по теоретична физика и Математическия институт на университета в Утрехт и водещият автор на изследването.

Микроскопска снимка на изкуствения синапс. Кредит: Utrecht University

Йонна миграция

Устройството, разработено от учени в Корея и наричано йонтронен мемристор, включва конусообразен микроканал, пълен с разтвор от вода и сол. При получаване на електрически импулси, йоните в течността мигрират през канала, което води до промени в концентрацията на йоните.

В зависимост от интензивността (или продължителността) на импулса, проводимостта на канала се регулира съответно, отразявайки укрепването или отслабването на връзките между невроните. Степента на промяна в проводимостта служи като измеримо представяне на входния сигнал.

Допълнителна констатация е, че дължината на канала влияе върху продължителността, необходима за разсейване на промените в концентрацията.

"Това предполага възможността за приспособяване на канали за запазване и обработка на информация за различна продължителност, отново подобно на синаптичните механизми, наблюдавани в нашите мозъци", обяснява Камсма.

Генезисът на това откритие може да бъде проследен до идея, замислена от Камсма, докато прави своето докторско изследване. Той трансформира тази концепция - съсредоточена около използването на изкуствени йонни канали за класификационни задачи - в стабилен теоретичен модел.

"По съвпадение пътищата ни се пресякоха с изследователската група в Южна Корея през този период", разказва Камсма. "Те приеха моята теория с голям ентусиазъм и бързо започнаха експериментална работа въз основа на нея."

Забележително е, че първоначалните констатации се материализират само три месеца по-късно, в тясно съответствие с прогнозите, очертани в теоретичната рамка на Камсма.

"Изключително приятно е да станеш свидетел на прехода от теоретични предположения към осезаеми резултати от реалния свят, което в крайна сметка води до тези красиви експериментални резултати", коментира Камсма.

Значителна крачка напред

Камсма изтъква фундаменталния характер на изследването, подчертавайки, че йонтронните невроморфни изчисления, въпреки че показват бърз растеж, все още са в начален стадий. Предвижданият резултат е компютърна система, която значително превъзхожда ефективността и консумацията на енергия в сравнение със съвременните технологии. Но дали тази визия ще се материализира, остава спекулативно на този етап. Въпреки това Камсма разглежда публикацията като значителна стъпка напред.

"Това е решаващ напредък към компютрите, способни не само да имитират комуникационните модели на човешкия мозък, но и да използват същата среда", твърди изследователят. "Може би това в крайна сметка ще проправи пътя за изчислителни системи, които възпроизвеждат по-вярно необикновените способности на човешкия мозък ".

Справка: Tim M. Kamsma et al, Brain-inspired computing with fluidic iontronic nanochannels, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2320242121

Източник: First experimental proof for brain-like computer with water and salt, Utrecht University

Още по темата

05/12/2023

Животът

Wi-Fi за неврони: Първа карта на безжични нервни сигнали

29/05/2023

Физика

Изследователи са създали аналогов компютър, използващ водни вълни, за да прогнозира хаотичното бъдеще

22/11/2018

Животът

Учени откриха скрита досега област в човешкия мозък

08/10/2017

Животът

Откриха система от дренажни тръби в човешкия мозък (видео)