Alexantrou Serb et al. / Nature Scientific Reports, 2020
Ученые создали систему, которая соединила искусственные и живые нейроны через мемристор. Примечательно, что три элемента этого гибрида находились в разных точках Европы и были связаны через интернет. Несмотря на расстояние, сеть функционировала и проявляла свойства живых нейронных систем, например, долговременную потенциацию. Статья опубликована в журнале Nature Scientific Reports.
В основе функционирования мозга лежат нейронные сети. Ключевую роль в передаче, обработке и хранении информации между клетками этих сетей играют синапсы — соединения нейронов. Современные технологии позволяют создавать искусственные нейроны и синапсы, а также соединять мозг и компьютер.
Мемристоры позволяют имитировать такое свойство биологического синапса, как долговременная потенциация: при длительном воздействии одного нейрона на другой передача сигнала между ними становится более эффективной. Это электронные элементы, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от того, какой заряд через них протекает.
Группа ученых из Великобритании, Германии, Италии, и Швейцарии под руководством Алексантроу Серба (Alexantrou Serb) из Саутгемптонского университета создала систему, которая с помощью мемристора соединила искусственные нейроны с биологическими и могла передавать сигналы в обоих направлениях. Первый элемент сети — кремниевый нейрон, который представляет собой интегральную схему, состоящую из миллионов транзисторов. Это устройство генерировало электрические импульсы, которые передавались на мемристор, а затем через микроэлектрод — на нейрон гиппокампа мыши, выделенный в культуру. Напряжение, подаваемое на нервную клетку, напоминало возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП), из которых формируются нейронные импульсы в мозге. Такой гибридный синапс назвали синаптором.
Общая схема цепи. AN - искусственные нейроны, MR - мемристоры, ABsyn и BAsyn - синапторы
Alexantrou Serb et al. / Nature Scientific Reports, 2020
Электрическая схема цепи. AN - искусственные нейроны, MR - мемристоры, ABsyn и BAsyn - синапторы, CME - микроэлектрод, BN - биологический нейрон
Alexantrou Serb et al. / Nature Scientific Reports, 2020
Еще большую экзотичность исследованию добавляет то, что элементы системы располагались в разных точках мира: кремниевые нейроны находились в Цюрихе, мемристоры — в Саутгемптоне, а культура мышиных нейронов — в итальянской Падуе. Система использовала протокол UDP для передачи данных через интернет.
Чтобы продемонстрировать свойства синапторов, исследователи решили смоделировать на них долговременную потенциацию глутаматергических синапсов гиппокампа. Первый искусственный нейрон выполнял функцию водителя ритма: он производил электрические сигналы определенной частоты. Мемристоры играли роль постсинаптической мембраны, которая и несет функцию пластичности в мозге. Они были запрограммированы изменять сопротивление в ответ на частоту разряда биологического нейрона, которая регистрировалась через постсинаптический вход. По такому же принципу работают AMPA-рецепторы глутамата клеток гиппокампа. Второй искусственный нейрон сети работал в режиме спонтанной разрядки — он спонтанно выдавал импульсы без заданной частоты, а биологическая клетка через мемристор влияла на его активность.
В результате в ответ на период высокочастотной импульсации, задаваемой искусственным нейроном, живая клетка повышала свою активность и сохраняла ее даже после снижении частоты раздражения. Это приводило также к усилению спонтанной активности третьего элемента цепи. При снижении частоты разрядки водителя ритма развивалась долговременная депрессия, при которой активность как второго, так и третьего нейронов системы снижалась.
Долговременная потенциация (LTP) и депрессия (LTD). Сверху - частота разряда первого нейрона, посередине - второго (биологического) нейрона, снизу - сопротивление мемристора
Alexantrou Serb et al. / Nature Scientific Reports, 2020
Долговременная потенциация (LTP) и депрессия (LTD). Сверху - частота разряда второго (биологического) нейрона, посередине - третьего (искусственного)нейрона, снизу - сопротивление мемристора
Alexantrou Serb et al. / Nature Scientific Reports, 2020
Это первая сеть такого типа, в дальнейшем ее можно улучшать и применять к таким медицинским задачам, как терапия сердечной аритмии, гипертонии, повреждений спинного мозга и болезни Паркинсона.
Свойства мемристоров применяют также для создания чипов, которые можно использовать в машинном обучении. Например, в 2015 году была создана нейронная сеть, состоящая из мемристоров.
Алиса Бахарева