Изкуствени неврони се научиха да „говорят“ с мозъка: какво променя това?

Мозъкът използва по-малко енергия от електрическа крушка, но изпълнява задачи, с които най-мощните компютри все още се затрудняват; сега инженерите са направили крачка към електроника, която работи по-скоро като биология: В ново проучване в Nature Nanotechnology, учените демонстрират отпечатани изкуствени неврони, които могат да генерират сигнали, подобни на тези на живите мозъчни клетки. В лабораторни тестове тези сигнали активират неврони в срезове от мозък на мишка, което означава, че електронното устройство не просто имитира мозъка, а всъщност „говори“ с него.

Защо това откритие е важно?

Съвременните компютри са много мощни, но са коренно различни от мозъка. В чиповете информацията се обработва главно чрез милиарди транзистори, които превключват според точни правила. Мозъкът работи по различен начин: той се състои от милиарди неврони, които предават сигнали под формата на електрически импулси, променят силата на връзките и постоянно се адаптират.

Ето защо инженерите отдавна се опитват да създадат невроморфни системи, предсталяващи електроника, която не само се занимава с математика, но работи на принципите на нервната система. Проблемът е, че повечето изкуствени неврони са били или твърде опростени, или слабо съвместими с живата тъкан.

В доклад от Северозападния университет, изследователите обясняват, че новите устройства не се ограничават само до прости електрически импулси. Те могат да генерират различни видове „шипове“, представляващи единични импулси, продължително задействане и изблици на импулси, подобни на тези, използвани от реалните неврони.

„Опитваме се да имитираме мозъка възможно най-точно“, каза Марк Герсам пред Live Science за изкуствените неврони.

Как са били отпечатани невроните?

Ключът към пробива не се крие в класическия силициев чип, а в печатната електроника. Екипът използва технология за аерозолен печат: специално електронно мастило се нанася върху гъвкав полимерен субстрат по същия начин, както принтерът нанася боя върху хартията, само че в микро- и наномащаб.

Мастилото съдържало наноразмер MoS2, който се държи като полупроводник, и графен, който провежда добре електричество. Заедно те създали мрежа, която можела да реагира на напрежението не линейно, а с остри пикове, подобно на неврон, който внезапно задейства електрически сигнал.

В конвенционалната електроника полимерите често се считат за пречка, защото могат да блокират потока на ток. Но в този случай изследователите са използвали това „несъвършенство“ в своя полза. Частичното разрушаване на полимера под въздействието на топлина е създало тесни проводими пътища, които са предизвикали рязко превключване на тока.

Този ефект се нарича отрицателно диференциално съпротивление. Казано по-просто, системата не се държи като обикновен проводник, където токът се увеличава плавно с напрежението. Вместо това, тя съхранява енергия и след това внезапно я „освобождава“ с импулс, подобно на биологичен неврон, достигащ праг и генериращ акционен потенциал.

Какво означава да „говориш“ с мозъка?

Фразата „изкуствен неврон, който говори с мозъка“ звучи почти фантастично, но тук не става въпрос за мисли или език, а за електрическа съвместимост.

Живите неврони комуникират чрез кратки електрически импулси. Ако изкуствено устройство генерира сигнал, който не е правилно оформен, твърде бърз или твърде бавен, мозъчната тъкан може да не го „разбере“. Това е като опит да свържете модерен компютър към старо устройство, използвайки несъвместим кабел: има електричество, но няма полезна комуникация.

В това проучване учените свързали изкуствени неврони с резени от малкия мозък на мишки. Малкият мозък е отговорен за координирането на движенията и съдържа добре проучени видове неврони, включително клетки на Пуркиние. Когато изкуствените неврони се задействали, живите неврони реагирали с активност.

Това е от фундаментално значение: устройството не просто показва красива електрическа графика на екрана, а предизвиква реакция в биологичната тъкан. Статия на ScienceDaily за работата на Northwestern подчертава, че изкуствените сигнали съответстват на ключови характеристики на живите невронни импулси и по-специално тяхната продължителност и времеви мащаб.

„Други лаборатории са се опитвали да създадат изкуствени неврони от органични материали, но те са били твърде бавни“, обяснява Герсам в публикация на Северозападния университет. „Или са използвали метални оксиди, които са били твърде бързи.“

Защо мозъкът е толкова енергийно ефективен?

Една от основните причини за интереса към изкуствените неврони е енергийната криза на изкуствения интелект. Големите модели изискват все повече изчисления, електричество и охлаждане. Мозъкът изпълнява сложни задачи, като виждане, слушане, учене, предвиждане, контролиране на тялото, с около десетки ватове.

Разликата е, че мозъкът не обработва информацията като класически компютър. Той не прехвърля всеки бит през отделни блокове памет и процесор, а невроните едновременно съхраняват, обработват и предават информацията. Те се активират само когато е необходимо, вместо да работят с пълен капацитет през цялото време.

Това е, което невроморфните изчисления се опитват да възпроизведат. Ако един изкуствен неврон може да генерира сложни сигнали, един такъв елемент потенциално може да изпълнява повече функции и това означава, че същата задача може да бъде изпълнена с по-малко компоненти и по-малко енергия.

„Тъй като мозъкът е с много порядъци по-енергийно ефективен от цифровия компютър, има смисъл да се обърнем към мозъка за вдъхновение за следващото поколение изчисления“, отбелязва Герсам в статия в Neuroscience News.

Какво може да донесе това на медицината?

Най-очевидното приложение са интерфейсите мозък-компютър. Днес подобни системи вече позволяват на хората да управляват курсор, роботизирана ръка или протеза, използвайки мозъчни сигнали. Но повечето съвременни интерфейси работят доста грубо: те четат или стимулират активност, но не винаги могат да предават сигнали към мозъка на „неговия език“.

Принтираните изкуствени неврони биха могли да променят това. Ако електрониката може да генерира импулси, наподобяващи тези в природата, тя би могла да се превърне в по-добър медиатор между импланта и нервната тъкан.

В бъдеще това би могло да помогне за създаването на невропротези за възстановяване на слуха, зрението или движението. Например, имплантът не просто би предавал електрически сигнал към нерв, а би го оформял така, че мозъкът да възприема информацията по-естествено.

Клиничното приложение обаче е все още далеч. Това проучване е проведено върху срезове от мозък на мишка, а не върху жив човешки мозък. Дългосрочната стабилност, безопасността на материалите, имунният отговор и способността на подобни устройства да работят в сложната среда на жив организъм все още не са тествани.

Защо не е „изкуствен мозък“

Въпреки заглавията, важно е да не се преувеличава. Изследователите не са създали съзнание, изкуствен мозък или електронно същество. Те са създали отделни изкуствени невроноподобни устройства, които могат да генерират биологично реалистични електрически сигнали.

По-скоро става въпрос за създаването на нова „азбука“ за комуникация между електрониката и нервната система. Пълноценен език все още е далеч от реалността: необходими са изкуствени синапси, големи мрежи, стабилно обучение, обратна връзка и сигурна интеграция с тъканите.

Но именно тези стъпки изграждат бъдещата невротехнология. Първо, трябва да стане възможно създаването на правилния сигнал, след което да се свържат много такива елементи и едва тогава да се говори за сложни невроелектронни системи.

Ефектът на мащаба: от единичен импулс до нова ера в изчисленията

Това изследване е важно не само за невроимплантите. То засяга глобален проблем: как да се направят изчисленията по-малко енергоемки.

Днес изкуственият интелект се развива бързо, но цената на енергията му се увеличава. Центровете за данни изискват електричество, охлаждане и сложна инфраструктура. Ако в бъдеще някои от изчисленията могат да бъдат прехвърлени към невроморфен „хардуер“, който работи по-скоро като мозък, това би могло да намали натоварването на енергийните системи.

В този смисъл, отпечатаният изкуствен неврон не е просто лабораторно любопитство, а малък прототип на бъдеща електроника, където компютърните науки, биологията и материалознанието се сливат в една област.

Какво означава това?

Практическото значение на откритието е, че електрониката се доближава до биологията. Вместо грубо стимулиране на нервната тъкан, бъдещите устройства биха могли да се научат да предават сигнали във формат, който мозъкът може да разпознае по-добре.

За медицината това може да означава по-прецизни невроимпланти, по-интелигентни протези и нови начини за възстановяване на сензорните или двигателните функции. За инженерството това може да означава устройства, които обработват информацията с по-малка консумация на енергия. За науката това може да означава нов инструмент, който ще помогне да се изучи точно как невроните реагират на различните електрически модели.

Най-важното е, че изследователите са показали фундаментална възможност: изкуствен неврон може не само да копира биологичен сигнал на теория, но и да предизвика реакция в живата нервна тъкан.