Вчені досягли значного прогресу у розвитку штучних нейронів, які здатні взаємодіяти з людським мозком. Ця новина відкриває нові горизонти в галузі нейротехнологій і може суттєво змінити підходи до лікування різноманітних неврологічних захворювань. Дослідники створили систему, яка дозволяє штучним нейронам "спілкуватися" з природними нейронами мозку, що може стати основою для розробки нових методів терапії. Використовуючи електроди та спеціально нал
Підписуйтеся на нас вГугл Новини, а також читайте вТелеграміФейсбук
Мозок споживає енергії менше, ніж звичайна лампочка, але виконує завдання, з якими досі важко впоратися найпотужнішим комп’ютерам; тепер інженери зробили крок до електроніки, яка працює ближче до біології: уновому дослідженні вNature Nanotechnologyвчені показали надруковані штучні нейрони, здатні генерувати сигнали, схожі на сигнали живих клітин мозку. У лабораторних тестах ці сигнали активували нейрони в зрізах мозку мишей — тобто електронний пристрій не просто імітував мозок, а фактично “розмовляв” із ним.
Сучасні комп’ютери дуже потужні, але вони принципово не схожі на мозок. У чипах інформація обробляється переважно через мільярди транзисторів, які перемикаються за чіткими правилами. Мозок працює інакше: він складається з мільярдівнейронів, які передають сигнали у вигляді електричних імпульсів, змінюють силу зв’язків і постійно адаптуються.
Саме тому інженери давно намагаються створитинейроморфні системи— електроніку, яка не просто рахує, а працює за принципами нервової системи. Проблема в тому, що більшість штучних нейронів досі були або занадто спрощеними, або погано сумісними з живою тканиною.
Уповідомленні Northwestern Universityдослідники пояснюють, що нові пристрої не обмежуються простими електричними імпульсами. Вони можуть генерувати різні типи “спайків” — поодинокі імпульси, тривале спрацьовування й серії імпульсів, схожі на ті, якими користуються реальні нейрони.
«Ми намагаємося імітувати мозок настільки точно, наскільки це можливо»,сказав Марк Герсам у коментаріLive Science про штучні нейрони.
Ключ до прориву — не в класичному кремнієвому чипі, а в друкованій електроніці. Команда використала технологію аерозольного друку: спеціальні електронні чорнила наносяться на гнучку полімерну підкладку майже так, як принтер наносить фарбу на папір, тільки на мікро- й нанорівні.
Ці чорнила містили нанолусочкиMoS2, який поводиться як напівпровідник, і графен, що добре проводить електричний струм. Разом вони створювали мережу, здатну реагувати на напругу не лінійно, а різкими стрибками — подібно до того, як нейрон раптово “вистрілює” електричним сигналом.
У звичайній електроніці полімери часто вважають перешкодою, бо вони можуть заважати проходженню струму. Але в цьому випадку дослідники використали саме цю “недосконалість” як перевагу. Часткове руйнування полімеру під дією тепла створювало вузькі провідні шляхи, які запускали різке перемикання струму.
Цей ефект називаєтьсянегативним диференціальним опором. Простими словами, система поводиться не як звичайний дріт, де струм плавно зростає разом із напругою. Натомість вона накопичує енергію, а потім раптово “скидає” її імпульсом — майже як біологічний нейрон, який досягає порогу й генерує потенціал дії.
Фраза “штучний нейрон говорить із мозком” звучить майже фантастично, але тут ідеться не про думки чи мову. Йдеться про електричну сумісність.
Живі нейрони спілкуються через короткі електричні імпульси. Якщо штучний пристрій генерує сигнал неправильної форми, надто швидкий або надто повільний, мозкова тканина може його не “зрозуміти”. Це схоже на спробу під’єднати сучасний комп’ютер до старого пристрою через несумісний кабель: електрика є, але корисної комунікації немає.
У цьому дослідженні вчені під’єднали штучні нейрони до зрізів мозочка мишей.Мозочоквідповідає за координацію рухів і містить добре вивчені типи нейронів, зокрема клітини Пуркіньє. Коли штучні нейрони подавали імпульси, живі нейрони реагували на них активністю.
Це принципово важливо: пристрій не просто показав красивий електричний графік на екрані, а викликав відповідь у біологічній тканині. Уновині ScienceDaily про роботу Northwesternпідкреслюється, що штучні сигнали відповідали ключовим характеристикам живих нейронних імпульсів — зокрема за тривалістю та часовим масштабом.
«Інші лабораторії пробували створювати штучні нейрони з органічних матеріалів, але вони спрацьовували занадто повільно»,пояснив Герсам упублікації Northwestern University.«Або використовували оксиди металів, які були занадто швидкими».
Одна з головних причин інтересу до штучних нейронів — енергетична криза штучного інтелекту. Великі моделі потребують дедалі більше обчислень, електроенергії та охолодження. Мозок же виконує складні завдання — бачить, слухає, навчається, прогнозує, керує тілом — приблизно на рівні десятків ват.
Різниця в тому, що мозок не обробляє інформацію як класичний комп’ютер. Він не жене кожен біт через окремі блоки пам’яті й процесора. Нейрони одночасно зберігають, обробляють і передають інформацію. Вони активуються лише тоді, коли це потрібно, а не працюють постійно на повну потужність.
Саме це намагаються повторитинейроморфні обчислення. Якщо штучний нейрон може генерувати складні сигнали, один такий елемент потенційно здатен виконувати більше функцій. Це означає, що для тієї самої задачі може знадобитися менше компонентів і менше енергії.
«Оскільки мозок на багато порядків енергоефективніший за цифровий комп’ютер, логічно шукати натхнення для наступного покоління обчислень саме в мозку»,зазначив Герсам уматеріалі Neuroscience News.
Найочевидніша сфера застосування —інтерфейси мозок-комп’ютер. Сьогодні такі системи вже дозволяють людям керувати курсором, роботизованою рукою або протезом за допомогою мозкових сигналів. Але більшість сучасних інтерфейсів працює досить грубо: вони зчитують або стимулюють активність, але не завжди можуть передавати мозку сигнали “його мовою”.
Надруковані штучні нейрони можуть змінити цю ситуацію. Якщо електроніка генерує імпульси, схожі на природні, вона може стати кращим посередником між імплантом і нервовою тканиною.
У майбутньому це може допомогти створювати нейропротези для відновлення слуху, зору або руху. Наприклад, імплант не просто передаватиме електричний сигнал у нерв, а формуватиме його так, щоб мозок сприймав інформацію природніше.
Втім, до клінічного застосування ще далеко. Це дослідження проводили на зрізах мозку мишей, а не в живому людському мозку. Попереду — перевірка довготривалої стабільності, безпеки матеріалів, реакції імунної системи та здатності таких пристроїв працювати в складному середовищі живого організму.
Попри гучні заголовки, важливо не перебільшувати. Дослідники не створили свідомість, штучний мозок або електронну істоту. Вони створили окремі штучні нейроноподібні пристрої, які можуть генерувати біологічно реалістичні електричні сигнали.
Це радше створення нового “алфавіту” для спілкування електроніки з нервовою системою. До повноцінної мови ще далеко: потрібні штучні синапси, великі мережі, стабільне навчання, зворотний зв’язок і безпечна інтеграція з тканиною.
Але саме такі кроки й будують майбутню нейротехнологію. Спершу потрібно навчитися створювати правильний сигнал. Потім — з’єднати багато таких елементів. І лише після цього можна говорити про складні нейроелектронні системи.
Це дослідження важливе не лише для нейроімплантів. Воно торкається глобальної проблеми: як зробити обчислення менш енерговитратними.
Сьогодні штучний інтелект стрімко розвивається, але його енергетична ціна зростає. Центри обробки даних потребують електрики, охолодження й складної інфраструктури. Якщо частину обчислень у майбутньому вдасться перенести на нейроморфне “залізо”, яке працює більш схоже на мозок, це може зменшити навантаження на енергосистеми.
У цьому сенсі надрукований штучний нейрон — не просто лабораторна цікавинка. Це маленький прототип майбутньої електроніки, де обчислення, біологія і матеріалознавство зливаються в одну галузь.
Практичне значення відкриття полягає в тому, що електроніка стає ближчою до біології. Замість грубого стимулювання нервової тканини майбутні пристрої можуть навчитися передавати сигнали у форматі, який мозок краще розпізнає.
Для медицини це може означати точніші нейроімпланти, розумніші протези й нові способи відновлення сенсорних або рухових функцій. Для інженерії — шлях до пристроїв, які обробляють інформацію з меншою витратою енергії. Для науки — новий інструмент, який допоможе вивчати, як саме нейрони реагують на різні електричні патерни.
Найважливіше те, що дослідники показали принципову можливість: штучний нейрон може не просто копіювати біологічний сигнал у теорії, а викликати відповідь у живій нервовій тканині.
Ні. Це електронні пристрої, які імітують поведінку нейронів. Вони не живі, не мають ДНК і не здатні самостійно мислити.
Ні. Поки що технологію перевірили в лабораторії на зрізах мозку мишей. Для застосування в людях потрібні роки додаткових досліджень безпеки й ефективності.
Вони можуть генерувати сигнали, більш схожі на природні нейронні імпульси. Це потенційно робить їх кращими для комунікації з нервовою системою.
Можливо. Якщо такі нейроноподібні елементи вдасться масштабувати у великі мережі, вони можуть стати основою для нейроморфних комп’ютерів, які споживатимуть менше енергії, ніж сучасні системи ШІ.
Найбільша ідея цього дослідження не в тому, що вчені “надрукували мозок”. Вони зробили інше: створили електронний елемент, який здатен подати живому нейрону сигнал у знайомому для нього ритмі.
І це може бути початком нової епохи, де імпланти не просто під’єднуються до мозку, а справді спілкуються з ним його власною електричною мовою.
Підписуйтеся на нас вГугл Новини, а також читайте вТелеграміФейсбук