Откритието може да има голямо приложение в медицината, създаването на мозъчни импланти и изкуствения интелект
Учени създадоха изкуствен неврон, толкова реалистичен, че изпраща сигнали, учи се и реагира на химически стимули по същия начин, както истинският - пробив, който може да преобрази компютърните технологии, медицината и начина, по който технологиите се сливат с биологията.
Невроните са невероятни „биологични устройства“, които използват електрически и химически сигнали. Благодарение на тях можем да мислим, чувстваме, да познаваме и реагираме на околния си свят. Не е изненада, че науката отдавна се стреми да възпроизведе тези изключително ефективни клетки.
Сега екип инженери от Масачузетския университет (UMass) в Амхърст е създал изкуствен неврон, който не само имитира поведението на истинските, но и съвпада с тях по размер, енергийна консумация, сила на сигнала, времева динамика и реакция на химически стимули.
„Нашият мозък обработва огромно количество данни," казва Шуай Фу, водещ автор на изследването и докторант по електроника и компютърно инженерство в UMass Amherst. „Но енергийната му консумация е изключително ниска - особено в сравнение с електричеството, необходимо за работата на големи езикови модели като ChatGPT."
Изкуственият неврон е изграден около мемристор - резистор с памет - направен от протеинови наножички на микроорганизма Geobacter sulfurreducens. Тази бактерия произвежда проводими наножички, които, когато се интегрират в мемристора, драстично намаляват напрежението, необходимо за превключване. Така мемристорът работи при напрежения около 60 mV и токове около 1,7 nA - стойности, сравними с тези на биологичните неврони.
„Предишните версии на изкуствени неврони използваха 10 пъти по-високо напрежение и 100 пъти повече енергия от нашия," казва д-р Джун Яо, доцент по електроника и компютърно инженерство в UMass Amherst. „Нашият работи при едва 0,1 волта - приблизително колкото невроните в човешкото тяло."
Изследователите интегрирали мемристора в проста резисторно-капацитивна (RC) верига, която възпроизвежда различните фази на електрическата активност на неврона: натрупване на заряд (преди „изпускане“), бърза деполяризация (когато невронът „стреля“), реполяризация (връщане в покой) и рефрактерен период - кратка пауза след активиране, напълно идентична на тази в живите неврони.
След това добавили химически сензори, които откриват йони (като натрий) и невротрансмитери (като допамин). Те променяли електрическите свойства на веригата в отговор, имитирайки начина, по който истинските неврони регулират поведението си според химическата среда - процес, известен като невромодулация.
Накрая изследователите свързали изкуствения неврон с истински биещи човешки сърдечни клетки (кардиомиоцити). Те показали, че невронът може да интерпретира биологични сигнали в реално време - например да отчита промени в активността на кардиомиоцитите при въздействие на лекарството норепинефрин. Това е критична стъпка към бъдеща интеграция на такива изкуствени неврони с живи тъкани.
„В момента имаме всякакви носими електронни системи за наблюдение, но те са тромави и неефективни," казва Яо. „Всеки път, когато регистрират сигнал от тялото, трябва да го усилват електрически, за да може компютър да го анализира. Тази стъпка повишава енергопотреблението и усложнява веригата, но сензори с нашите нисковолтови неврони биха могли да го правят директно - без никакво усилване."
Системата все още е на ранен етап и е тествана само в контролирани лабораторни условия. Тя не е готова за имплантиране в живи организми. Но откритието представлява голям скок напред в биоелектрониката и може да стане основа за бъдещи технологии, които ще съчетават електрониката и биологията по-естествено от всякога.
В бъдеще тези изкуствени неврони биха могли да се използват за поправка или заместване на увредени мозъчни вериги, за подобряване на интерфейси между мозък и машина (BMI), или като сензори, които следят здравето на клетките и отговора им към лекарства в реално време. Тъй като консумират минимално количество енергия и работят на същите нива като биологичните сигнали, те могат да доведат и до значително по-ефективен хардуер за изчисления, вдъхновен от мозъка. А оттам - да доведат и до революция в изкуствения интелект.
