Inginerii de la Northwestern au dezvoltat neuroni artificiali capabili să comunice cu celulele vii
Inginerii de la Universitatea Northwestern au creat neuroni artificiali care nu doar imită creierul, ci comunică efectiv cu acesta.
O echipă de cercetători de la Northwestern a realizat dispozitive flexibile și accesibile care generează semnale electrice suficient de realiste pentru a activa celulele cerebrale vii. În urma testelor efectuate pe secțiuni de țesut din creierul șoarecilor, neuronii artificiali au reușit să provoace răspunsuri din partea neuronilor reali, demonstrând un nou nivel de biocompatibilitate.
Acest studiu marchează un pas important spre electronică ce poate comunica direct cu sistemul nervos, având aplicații potențiale în interfețele creier-mașină și neuroproteză, inclusiv implanturi pentru auz, vedere și mișcare.
De asemenea, cercetarea deschide calea pentru sisteme de calcul mai eficiente, asemănătoare creierului. Prin imitarea modului în care neuronii transmit semnale – o caracteristică esențială a creierului, care este cel mai eficient computer cunoscut – sistemele futuriste ar putea efectua operațiuni complexe folosind mult mai puțină energie decât tehnologiile actuale, care consumă o cantitate mare de date.
Studiul va fi publicat miercuri (15 aprilie) în revista Nature Nanotechnology.
„Lumea în care trăim astăzi este dominată de inteligența artificială (IA)”, a declarat Mark C. Hersam, liderul studiului. „Modul în care faci IA mai inteligentă este prin antrenarea acesteia pe tot mai multe date. Această antrenare intensivă de date duce la o problemă imensă de consum de energie. Prin urmare, trebuie să venim cu hardware mai eficient pentru a gestiona big data și IA. Deoarece creierul este de cinci ordine de magnitudine mai eficient energetic decât un computer digital, are sens să ne inspirăm din creier pentru computerele de generație următoare.”
Expert în calculul asemănător creierului, Hersam este profesor de știința materialelor și inginerie la Școala de Inginerie McCormick a Universității Northwestern, profesor de medicină la Feinberg School of Medicine a Universității Northwestern și profesor de chimie la Weinberg College of Arts and Sciences. De asemenea, el este președintele departamentului de știința materialelor și inginerie, director al Centrului de Cercetare în Știința și Ingineria Materialelor și membru al Institutului Internațional de Nanotehnologie. Hersam a co-condus studiul împreună cu Vinod K. Sangwan, profesor asociat de cercetare la McCormick.
Pe măsură ce sarcinile de calcul devin din ce în ce mai complexe și bazate pe date, computerele își îndeplinesc aceste cerințe prin adăugarea de componente identice – miliarde de tranzistori îngrămădiți pe cipuri de siliciu rigide și bidimensionale. Fiecare tranzistor se comportă în același mod. Și, odată fabricate, aceste sisteme rămân fixe.
Creierul funcționează într-un mod foarte diferit. În loc să fie compus din blocuri de construcție uniforme, creierul se bazează pe tipuri diverse de neuroni – fiecare având roluri specializate – organizate în diverse regiuni. Aceste rețele moi și tridimensionale se schimbă constant, formând și remodelând conexiuni de-a lungul timpului pe măsură ce oamenii învață și se adaptează.
„Siliconul atinge complexitatea prin milioane de dispozitive identice. Totul este la fel, rigid și fix după ce a fost fabricat. Creierul este opusul. Este heterogen, dinamic și tridimensional. Pentru a ne îndrepta în această direcție, avem nevoie de noi materiale și noi modalități de a construi electronica”, a declarat Hersam.
Deși există deja alți neuroni artificiali, aceștia nu reușesc să atingă realismul biologic. Cei mai mulți produc semnale simplificate, forțând inginerii să se bazeze pe rețele mari de dispozitive care consumă multă energie pentru a obține comportamente complexe.
Pentru a se apropia de un model biologic, echipa lui Hersam a dezvoltat neuroni artificiali folosind materiale moi și imprimabile care imită mai bine structura și comportamentul creierului. Avansul se bazează pe o serie de cernele electronice, formulate din fulgi de disulfid de molibden (MoS2) la scară nanometrică, care funcționează ca semiconductori, și grafen, care acționează ca un conductor electric. Folosind o tehnică specializată de imprimare numită aerosol jet printing, cercetătorii au depus aceste cernele pe substraturi polimerice flexibile.
În trecut, alți cercetători au considerat polimerul stabilizator din cernele ca o problemă care interferează cu fluxul de curent electric, astfel că l-au ars după imprimarea circuitului electronic. Însă Hersam a valorificat această mică imperfecțiune pentru a adăuga funcționalitate asemănătoare creierului dispozitivului său.
„În loc să îndepărtăm complet polimerul, noi îl descompunem parțial”, a explicat el. „Apoi, când trecem curent prin dispozitiv, determinăm o descompunere suplimentară a polimerului. Această descompunere are loc într-o manieră inhomogenă din punct de vedere spațial, ducând la formarea unor filamente conductive, astfel încât tot curentul este constrâns într-o regiune îngustă în spațiu.”
Această regiune îngustă devine o cale localizată care produce un răspuns electric brusc, asemănător unui neuron. Rezultatul este un nou tip de neuron artificial capabil să genereze o gamă variată de semnale electrice. În loc să producă impulsuri simple, dispozitivul nou produce modele de semnalizare mai complexe – inclusiv spike-uri individuale, focuri continue și modele de burst – care seamănă cu modul în care neuronii reali comunică.
Prin captarea acestei diversități de semnalizare, fiecare neuron poate codifica mai multe informații și poate efectua funcții mai sofisticate. Aceasta poate reduce numărul de componente necesare într-un sistem informatic, îmbunătățind drastic eficiența generală.
Pentru a testa dacă neuronii lor artificiali pot interacționa cu biologia, echipa lui Hersam a colaborat cu Indira M. Raman. Echipa acesteia a aplicat semnale electrice din neuronii artificiali pe secțiuni din cerebelul șoarecilor. Au descoperit că spike-urile de voltaj artificiale se potriveau caracteristicilor biologice esențiale, inclusiv temporizarea și durata spike-urilor de voltaj ale neuronilor vii. Aceasta a activat circuite neuronale într-un mod similar cu semnalele naturale.
„Alte laboratoare au încercat să creeze neuroni artificiali cu materiale organice, iar aceștia aveau spike-uri prea lente”, a spus Hersam. „Sau au folosit oxizi de metale, care sunt prea rapizi. Noi suntem în intervalul temporal care nu a fost demonstrat anterior pentru neuronii artificiali. Poți vedea neuronii vii răspunzând neuronului nostru artificial. Așadar, am demonstrat semnale care nu sunt doar în intervalul de timp corect, ci și cu forma corectă a spike-ului pentru a interacționa direct cu neuronii vii.”
Abordarea vine cu mai multe avantaje ecologice. Pe lângă îmbunătățirea eficienței energetice, procesul de fabricație al neuronului este simplu și cu costuri reduse. Deoarece procesul de imprimare este aditiv – plasând material doar acolo unde este necesar – se reduce și risipa.
„Pentru a face față cerințelor energetice ale IA, companiile de tehnologie constru
