O echipă de ingineri de la Northwestern University a creat neuroni artificiali miniaturali, prin imprimare, care reușesc să se activeze în același ritm cu celulele cerebrale reale ale șoarecilor. Inovația, publicată în Nature Nanotechnology, ar putea accelera dezvoltarea computerelor neuromorfice – semnificativ mai eficiente energetic decât cele actuale – și a unei noi generații de implanturi cerebrale capabile să restaureze funcții pierdute în boli precum Alzheimer, scrie Live Science.
O echipă de ingineri a creat neuroni artificiali miniaturali, prin imprimare, capabili să „comunice” cu celulele cerebrale ale șoarecilor – o realizare care ar putea deschide calea către inovații în informatică și medicină.
Studiul, publicat pe 15 aprilie în revista Nature Nanotechnology, se adaugă unui domeniu în plină expansiune care își propune să construiască computere ce imită mecanismele interne ale creierului.
Speranța este că neuronii artificiali mai performanți ar putea duce la apariția „computerelor neuromorfice”, un nou tip de procesare care ar putea îmbunătăți substanțial eficiența energetică a inteligenței artificiale (IA).
„Încercăm să imităm creierul cât mai fidel posibil”, a declarat Mark Hersam, coautor al studiului și profesor de știința materialelor și inginerie la Northwestern University. „Ceea ce ne motivează este să găsim o alternativă la calculul digital convențional, care să gestioneze volume mari de date într-un mod mai eficient energetic”, a declarat el.
Cercetarea ar putea, de asemenea, să deschidă drumul către noi interfețe creier-computer, care permit controlarea dispozitivelor electronice prin activitatea cerebrală. Interfețele creier-computer pot fi folosite, de exemplu, pentru controlul protezelor sau al dispozitivelor de comunicare asistată.
Deoarece computerele neuromorfice sunt concepute să emuleze creierul, ar trebui să fie potrivite pentru a interacționa cu țesutul cerebral. Mai mult, unii oameni de știință au sugerat că neuronii artificiali ar putea înlocui celulele nervoase deteriorate sau ar putea restaura funcții cerebrale pierdute în boli degenerative precum Alzheimer.
Creierul, prins într-un cip
Pentru a reproduce țesutul cerebral, nu poți folosi cipurile tradiționale din siliciu, care sunt rigide și construite din tranzistori repetitivi, aranjați în structuri bidimensionale. Conexiunile lor sunt fixe și nu pot evolua.
Este o diferență enormă față de infrastructura delicată a creierului. Celulele cerebrale sunt flexibile din punct de vedere fizic, variază în funcție de localizare și comunică într-o matrice tridimensională care se schimbă în timp. Conexiunile dintre neuroni se pot consolida dacă sunt folosite constant sau se pot estompa dacă sunt subutilizate. Toate aceste proprietăți sunt necesare pentru a crea procesoarele complexe care dau permanent sens lumii din jurul nostru.
Din cauza acestor discrepanțe între creier și tehnologie, cele mai multe interfețe creier-computer nu reușesc să se integreze perfect în creier; în schimb, se bazează pe impulsuri relativ rudimentare pentru a comunica cu neuronii. Crearea unor neuroni artificiali eficienți înseamnă găsirea unor materiale care se comportă ca neuronii – adică reproduc tiparele de activare neuronală și ajustează aceste semnale în funcție de necesități.
Neuronii artificiali concepuți înainte de acest studiu tindeau să folosească fie materiale organice moi, precum geluri sau țesuturi capabile să transmită electricitate și semnale chimice, fie oxizi metalici duri. Fiecare abordare are dezavantaje: în timp ce tiparele de activare ale materialelor moi tind să fie prea lente, cele ale materialelor dure tind să fie prea rapide, a explicat Hersam.
Pentru a reproduce mai bine neuronii, Hersam și echipa sa au folosit cerneluri tipăribile îmbogățite cu fulgi minusculi de disulfură de molibden, un compus anorganic cu proprietăți de semiconductor, și grafen, un conductor electric. Cernelurile sunt imprimate pe un substrat polimeric flexibil.
Din punct de vedere istoric, astfel de substraturi au fost considerate un impediment, deoarece polimerii interferează cu curenții electrici. Dar, așa cum au descoperit Hersam și colegii săi, acest lucru poate fi un avantaj pentru neuronii artificiali, echipa constatând că polimerii pot fi manipulați pentru a controla modul în care electricitatea curge prin celula cerebrală creată în laborator.
„Inovația-cheie a fost această descompunere parțială a polimerului”, a spus Hersam.
Prin calibrarea atentă a modului în care polimerul se încălzește și se degradează, inginerii pot crea filamente minuscule de energie. În loc să crească constant, curentul care traversează neuronul crește și apoi scade brusc, permițând o eliberare bruscă de energie similară activării unui neuron. Acest fenomen se numește „rezistență diferențială negativă cu efect de recul”.
Iar prin ajustarea parametrilor dispozitivului, echipa a reușit să genereze tipare de semnalizare mai complexe, inclusiv serii de impulsuri distanțate în timp sau salve bruște de impulsuri. „Putem obține toate tipurile diferite de răspunsuri de activare care imită biologia”, a spus Hersam.
Pentru a demonstra acest lucru, cercetătorii au plasat neuronii artificiali lângă secțiuni din creierul unui șoarece, într-un vas de laborator. Au constatat că neuronii de șoarece se activau în același ritm cu neuronii artificiali, ceea ce sugerează că țesutul a putut decodifica semnalul artificial ca și cum ar fi provenit din țesut real.
Neuronii artificiali ai viitorului
Timothée Levi, profesor de bioelectronică care lucrează pe neuroni artificiali la Universitatea din Bordeaux, Franța, a apreciat noul tip de neuron artificial, remarcând că acesta poate „să se potrivească cu frecvența normală a neuronilor.”
Levi, care nu a fost implicat în cercetare, a spus că studiul se adaugă unei serii de cercetări recente care arată că neuronii artificiali pot comunica cu neuronii biologici. Aceste progrese s-au desfășurat în paralel cu o serie de avansuri care îmbunătățesc modul în care neuronii artificiali sunt construiți, cum se conectează între ei și cum sunt programați, a adăugat Levi.
El a subliniat, totuși, că neuronii artificiali sunt încă departe de a comunica pe deplin cu neuronii biologici într-un mod semnificativ.
„Îi putem controla pentru o perioadă scurtă, dar nu încă pentru o perioadă lungă”, a precizat el, așa că nu sunt încă pregătiți pentru a deveni adaosuri permanente la un creier uman, de exemplu.
Mai este mult de lucru în înțelegerea modului în care funcționează creierul, pentru a putea fi reprodus fidel de un computer, au remarcat Levi și Hersam. Mai mult, neuronii artificiali nu sunt suficienți – trebuie să-i conectezi între ei prin sinapse artificiale.
„Problema de frontieră”, a spus Hersam, „este că avem o serie de dispozitive care imită diferite elemente ale creierului, dar trebuie să le integrăm împreună în circuite care să atingă funcționalitatea completă.”
Ştiri video recomandate
