Ученые выращивают миниатюрные человеческие мозги для питания компьютеров

Десятилетиями ученые стремились создать электронику, которая работала бы по принципам человеческого мозга. Этот подход называется нейроморфными вычислениями: вместо традиционных процессоров такие микросхемы имитируют то, как активируются и взаимодействуют нейроны. Идея обещает революцию – компьютеры, которые мыслят как человек, но расходуют в разы меньше энергии. Главная трудность заключалась в том, что искусственные нейроны функционировали при напряжениях, далеких от биологических, что ограничивало их реалистичность и эффективность.

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте (UMass Amherst) нашли способ преодолеть это ограничение, пишет BBC. Им удалось создать искусственные нейроны, работающие в том же диапазоне напряжений, что и живые клетки, при этом расход энергии составил всего несколько пикоджоулей на импульс. Основой нового устройства стал мемристор – элемент, способный "запоминать" прошлые электрические состояния. Вместо кремния команда использовала белковые нанопровода, полученные из бактерии Geobacter sulfurreducens, которые естественным образом проводят заряд при низких напряжениях.

Подход UMass сильно отличается от решений технологических гигантов. Например, нейроморфные чипы Intel Loihi и IBM TrueNorth полностью построены на кремнии: они имитируют работу нейронов с помощью тысяч транзисторов, но работают при напряжениях, гораздо выше биологических. Исследователи из Амхерста пошли по пути упрощения.

Прорыв произошел, когда исследователи соединили мемристор на белковых нанопроводах с простой RC-цепью, воспроизводящей процесс зарядки и разрядки биологического нейрона. Это позволило создать устойчивые повторяющиеся импульсы напряжения, а не единичные всплески. Таким образом, один искусственный нейрон смог активировать следующий – как это происходит в живой нервной системе.

Еще одно преимущество – совместимость с традиционными КМОП-технологиями, используемыми на фабриках по производству микросхем. Это делает устройство потенциально масштабируемым, хотя сам процесс выращивания и интеграции белковых нанопроводов по-прежнему остается сложным. Массовое производство пока невозможно: нанопровода нужно выращивать бактериями, очищать и точно размещать на кристалле.

Для сравнения: Intel и IBM уже могут выпускать миллионы кремниевых нейронов, но им не удается достичь "биологического" диапазона напряжений. UMass, напротив, добился этой точности, но столкнулся с трудностями в работе с материалами.

Энергопотребление устройства составляет всего несколько пикоджоулей на импульс – столько же, сколько используют настоящие нейроны (примерно от 0,3 до 100 пикоджоулей). Это не теоретическое совпадение: измерения токов и напряжений подтверждают результат.

Кроме того, в отличие от существующих чипов, работающих исключительно с электронными сигналами, искусственные нейроны UMass способны реагировать на химические стимулы. Ученые встроили сенсоры, чувствительные к ионам натрия и молекуле дофамина. Повышение уровня натрия ускоряло частоту импульсов, а дофамин вызывал сложный "амбиполярный эффект": при низких концентрациях активность усиливалась, при высоких – снижалась. Это очень похоже на то, как ведут себя настоящие нейроны. Более того, искусственные нейроны смогли взаимодействовать с живыми клетками. Подключенные к клеткам сердца, они синхронизировали свои импульсы с биением – ускоряясь вместе с клетками при действии норадреналина.

Интересно, что устройство проявляет небольшие колебания активности – как и настоящие нейроны. Одни ученые считают такую "случайность" полезной для вероятностных вычислений, другие – шумом, который нужно подавлять. Команда UMass обнаружила, что вариабельность уменьшается при более высокой частоте работы, повторяя биологические закономерности. Насколько это пригодится в будущих нейроморфных системах – покажет время.