Ученые изобрели искусственные нейроны, которые «общаются» с настоящими клетками мозга

Инженеры нашли способ настроить крошечные искусственные нейроны так, чтобы они реагировали как настоящие клетки мозга.

Чтобы создать искусственные нейроны, исследователи используют струйный принтер для нанесения электронных чернил на гибкую полимерную подложку. (Фото: Северо-Западный университет/Аманда Б. Моррис)

Инженеры напечатали крошечные искусственные нейроны, которые могут «общаться» с клетками мозга мышей. Эта разработка может открыть путь к инновациям в области вычислительной техники и медицины.

Исследование, опубликованное 15 апреля в журнале Nature Nanotechnology, вносит вклад в развитие области, целью которой является создание компьютеров, имитирующих работу мозга.

Есть надежда, что усовершенствованные искусственные нейроны приведут к созданию «нейроморфных компьютеров» — нового типа вычислительных устройств, которые существенно повысят энергоэффективность искусственного интеллекта (ИИ).

«Мы пытаемся максимально точно воспроизвести работу мозга, — говорит соавтор исследования Марк Херсам, профессор материаловедения и инженерии в Северо-Западном университете. — Наша цель — найти альтернативу традиционным цифровым вычислениям для более энергоэффективной обработки больших объемов данных», — сказал он в интервью Live Science.

Эта работа также может привести к появлению новых интерфейсов «мозг — компьютер», которые позволят управлять электронными устройствами с помощью мозговой активности. Например, интерфейсы «мозг — компьютер» можно использовать для управления протезами конечностей или вспомогательными средствами коммуникации.

Поскольку нейроморфные компьютеры имитируют работу мозга, они должны хорошо взаимодействовать с мозговыми тканями. Кроме того, некоторые ученые предполагают, что искусственные нейроны могут заменить поврежденные нервные клетки или восстановить утраченные функции мозга при таких дегенеративных заболеваниях, как болезнь Альцгеймера.

Запечатываем мозг в чипе

Чтобы воссоздать ткань мозга, нельзя использовать традиционные кремниевые чипы, которые представляют собой жесткие конструкции из повторяющихся транзисторов, расположенных в виде двумерных структур. У них фиксированные соединения, которые не могут эволюционировать.

Это совсем не похоже на хрупкую структуру мозга. Клетки мозга физически гибкие, они различаются в зависимости от расположения и взаимодействуют в трехмерной матрице, которая меняется с течением времени. Связи между нейронами могут укрепляться, если они постоянно используются, а могут ослабевать, если используются недостаточно. Все эти свойства необходимы для создания сложных процессоров, которые постоянно анализируют окружающий нас сложный мир.

Из-за этих несоответствий между мозгом и механизмами большинство интерфейсов «мозг — компьютер» не могут полностью интегрироваться в мозг. Вместо этого они используют относительно грубые импульсы для связи с нейронами. Чтобы создать эффективные искусственные нейроны, нужно найти материалы, которые по своим свойствам и действию будут напоминать нейроны, то есть будут имитировать паттерны нейронной активности и при необходимости корректировать эти сигналы.

В искусственных нейронах созданных до проведения нового исследования обычно используются либо мягкие органические материалы, такие как гели или ткани, способные проводить электрические и химические сигналы, либо твердые оксиды металлов. У каждого подхода есть свои недостатки: импульсы в мягких материалах, как правило, слишком медленные, а в твердых — слишком быстрые, объяснила Херсам.

Чтобы лучше воспроизвести нейроны, Херсам и его команда использовали чернила для печати с добавлением крошечных хлопьев дисульфида молибдена — неорганического соединения, которое действует как полупроводник, и графена — электрического проводника. Чернила наносятся на гибкую полимерную подложку.

Исторически сложилось так, что подобные подложки считались помехой, поскольку полимеры препятствовали прохождению электрического тока. Но, как выяснили Херсам и его коллеги, это может быть преимуществом для искусственных нейронов. Команда обнаружила, что с помощью полимеров можно управлять прохождением электричества через искусственно созданную клетку мозга.

«Ключевым нововведением стало частичное разложение полимера», — сказал Херсам.

Тщательно контролируя процесс нагревания и разрушения полимера, инженеры могут создавать крошечные энергетические нити. Вместо того чтобы постепенно усиливаться, ток, проходящий через нейрон, сначала увеличивается, а затем ослабевает, что приводит к резкому высвобождению энергии, подобно спайку нейрона. Это явление называется «обратное отрицательное дифференциальное сопротивление».

Синапсы — это точки, в которых разные нейроны взаимодействуют, обмениваясь химическими сигналами, которые повышают или понижают вероятность возбуждения следующего нейрона. (Изображение предоставлено: BlackJack3D/Getty Images)

Настроив параметры устройства, команда смогла генерировать более сложные паттерны сигналов, в том числе серии импульсов, распределенных во времени, или внезапные всплески импульсов. «Мы можем воспроизвести все типы импульсных реакций, имитирующих биологические процессы», — говорит Херсам.

Чтобы доказать это, ученые поместили искусственные нейроны рядом с образцами мышиного мозга в лабораторную чашку. Они обнаружили, что мышиные нейроны срабатывали с той же частотой, что и искусственные, а значит, ткань могла декодировать искусственный сигнал так, как если бы он исходил от настоящей ткани.

Искусственные нейроны будущего

Тимоти Леви, профессор биоэлектроники, работающий над созданием искусственных нейронов в Университете Бордо во Франции, высоко оценил новый тип искусственных нейронов, отметив, что они «могут работать с той же частотой, что и обычные нейроны».

Леви, не принимавший участия в исследовании, сказал, что эта работа дополняет ряд недавних исследований, показывающих, что искусственные нейроны могут взаимодействовать с биологическими нейронами. По словам Леви, эти разработки появились на фоне множества достижений в области создания искусственных нейронов, их взаимодействия друг с другом и программирования.

Однако он подчеркнул, что искусственные нейроны еще далеки от полноценного взаимодействия с биологическими нейронами. «Мы можем управлять ими в течение короткого времени, но не долго», — сказал он, так что, например, они пока не подходят для постоянного использования в человеческом мозге.

Леви и Херсам отметили, что предстоит еще много работы по изучению принципов работы мозга, чтобы его можно было точно воспроизвести на компьютере. Более того, одних искусственных нейронов недостаточно — их нужно соединить с помощью искусственных синапсов.

«Основная проблема, — сказал Херсам, — заключается в том, что у нас есть ряд устройств, имитирующих различные элементы мозга, но нам нужно объединить их в схемы, которые обеспечат полную функциональность». Пишет livescience