27 октомври 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Синтетични неврони използват йони, за да запазят „спомени“, точно както прави мозъкът ни

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 09 август 2021 в 00:01 81220
Кредит: Flickr (CC BY-NC 2.0)

Учените са създали ключови части от синтетични мозъчни клетки, които могат да съхраняват клетъчни „спомени“ за милисекунди. Постижението може един ден да доведе до компютри, които работят като човешкия мозък.

Тези части, които бяха използвани за моделиране на изкуствена мозъчна клетка, използват заредени частици, наречени йони, за да произвеждат електрически сигнал, по същия начин, по който информацията се прехвърля между невроните в мозъка ви.

Сегашните компютри могат да правят невероятни неща, но тази процесорна мощ идва с цената на много енергия. 

За разлика от тях, човешкият мозък е забележително ефективен, нужна му е приблизително енергията, съдържаща се в два банана, за да работи цял ден.

Въпреки че причините за тази ефективност не са напълно ясни, учените предполагат, че ако могат да направят компютър по-скоро като човешки мозък, той ще изисква много по-малко енергия.

Един от начините, по които учените се опитват да възпроизведат биологичната машина на мозъка, е чрез използване на силата на йоните, заредени частици, на които разчита мозъкът за производството на електричество.

Прототипът на изкуствения неврон на изследователите. Кредит: Paul Robin, ENS Laboratoire de Physique (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Université de Paris)

Изкуствени неврони

В новото проучване, публикувано в списание Science на 6 август, изследователи от Националния център за научни изследвания в Париж, Франция, описват създадения компютърен модел на изкуствени неврони, които биха могли да произвеждат същия вид електрически сигнали, които невроните използват за пренос на информация в мозъка. Като изпращат йони през тънки водни канали, за да имитират истинските йонни канали, изследователите биха могли да произведат електрически пикове.

И сега те дори са създали физически модел, включващ тези канали като част от непубликувани, текущи изследвания.

„Доколкото ми е известно, се прави за първи път това с йони“, разказва съавторът на изследването Лидерик Боке (Lydéric Bocquet), физик от École Normale Supérieure.

На по-фино ниво изследователите създават система, която имитира процеса на генериране на потенциали за действие - скокове в електрическата активност, генерирани от неврони, които са в основата на мозъчната дейност. За да генерира потенциал за действие, невронът започва да пропуска повече положителни йони, които се привличат от отрицателните йони вътре в клетката.

Електрическият потенциал или напрежението в клетъчната мембрана причинява отваряне на вратите на клетката, наречени йонни канали с напрежение, което повишава заряда още повече, преди клетката да достигне своя пик и да се върне към нормалното няколко милисекунди по-късно. След това сигналът се предава към други клетки, което позволява на информацията да пътува в мозъка.

За да имитират управляемите по напрежение йонни канали, изследователите моделират тънък слой вода между листа графен, които са изключително тънки листове въглерод. Водните слоеве в симулациите се състоят от една, две или три молекули в дълбочина, което изследователите характеризират като квазидвуизмерен отвор.

Боке обяснява, че изследователите са искали да използват тази двуизмерна среда, тъй като частиците обикновено реагират много по-силно в две измерения, отколкото в три, и проявяват различни свойства в две измерения, което според изследователите може да бъде полезно за техния експеримент. 

Кредит: Flickr (CC BY-NC 2.0)

Тествайки модела в компютърна симулация, изследователите установяват, че когато прилагат електрическо поле към канала, йоните образуват във водата червеобразни структури.

Тъй като екипът прилага по-голямо електрическо поле в симулацията, тези структури се разпадат достатъчно бавно, за да оставят след себе си "памет" или намек за удължената конфигурация.

Когато изследователите провеждат симулация, свързваща два канала и други компоненти, за да имитират поведението на неврон, откриват, че моделът може да генерира скокове в електрическата активност като потенциали на действие и че „помни“ последователни свойства в две различни състояния - едно, при което йоните са провеждали повече електроенергия и друго, при което са провеждали по-малко.

В тази симулация "паметта" на предишното състояние на йоните се запазва няколко милисекунди, приблизително същото време, необходимо за истинските неврони да произведат потенциал за действие и да се върнат в състояние на покой.

Това е доста дълго време за йоните, които обикновено работят във времеви интервали от наносекунди или по-малко. В истински неврон потенциалът за действие се равнява на клетъчната памет в неврона. Нашият мозък използва отварянето и затварянето на йонните канали, за да създаде този вид памет.

„В крайна сметка имаме подобна памет, но причината за явлението е много различна“, коментира Боке.

Създаване на „спомен“

Новият модел е версия на електронен компонент, наречен мемристор или резистор с памет, който има уникалното свойство да запазва информацията от своята история. Но съществуващите мемристори не използват течност, както мозъкът.

„Типичните мемристори, с които работя, както и други изследователи, са твърди меморитори“, отбелязва Джина Адам (Gina Adam), асистент по електротехника и компютърно инженерство в Университета "Джордж Вашингтон", която не е участвала в изследването. Това ново изследване за създаване на флуидни мемристори е „много обещаващо и много интригуващо“, добавя Адам.

Според нея, макар практическите компютри, подобни на мозъка, да са далеч, това изследване би могло да помогне и на учените да разберат по-добре как мозъкът обработва информация и да разработят нови теории за наподобяващите работата на мозъка изчисления.

След като провежда това изследване с компютърни симулации, Боке заявява, че той и сътрудниците му от Университета в Манчестър, Великобритания, са реализирали своята теория, използвайки я за създаване на изкуствен синапс, тази част от неврона, която предава електрическите сигнали, и започват експерименти с него.

Източник: Synthetic brain cells that store 'memories' are possible, new model reveals, Rebecca Sohn, Live Science


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.