6 Minutės
Inžinieriai sukūrė baltyminį dirbtinį neuroną, kuris „kalba" smegenų elektrine kalba
Massachusetts universiteto Amherst (UMass Amherst) mokslininkai sukūrė dirbtinį neuroną, pagamintą iš baltyminių nanovijų, kuris veikia prie potencialų, panašių į biologinių neuronų. Pagamintas iš laidžius baltyminius siūlus generuojančios bakterijos Geobacter sulfurreducens, prietaisas registruoja signalus maždaug 0,1 volto diapazone — tai sutampa su žmogaus nervų ląstelių veiklos lygiais. Toks žemas įtampos veikimas atveria kelią energiją taupančiai neuromorfinei skaičiavimui ir tiesioginiams elektroniniams sąsajoms su gyvais audiniais.
Mokslinis kontekstas ir techninės detalės
Biologiniai neuronai perduoda informaciją per mažus membranų potencialo svyravimus, kuriuos sudaro milivoltų pokyčiai ir elektriniai impulsai. Žmogaus pažinimo funkcijos veikia su labai mažomis energijos sąnaudomis — apytiksliai keliasdešimt vatų visam žmogaus protui veikti — o tai dramatiškai skiriasi nuo daugelio modernių dirbtinio intelekto sistemų, kurioms reikia žymiai didesnių energijos išteklių. Todėl inžinieriai jau ilgą laiką siekia sukurti dirbtinius neuronus, kurie imituotų biologinę elgseną, siekiant sukurti kompiuterius, kurie būtų ir energetiškai efektyvūs, ir geriau integruotųsi su gyvaisiais audiniais.
Anksčiau sukurti dirbtiniai neuronai dažniausiai reikalavo didesnių įtampų ir, kaip pasekmė, gerokai didesnio energijos suvartojimo. Pagal UMass Amherst komandos vyresnįjį autorių, elektrikos ir kompiuterių inžinerijos docentą Jun Yao, ankstesni sprendimai naudojo maždaug dešimt kartų didesnę įtampą ir iki 100 kartų daugiau galios nei naujasis baltyminis nanovijų neuronas. Veikimas netoli 0,1 V leidžia šiems prietaisams būti suderinamiems su gyvomis neuroninėmis struktūromis ir sumažina grandinių sudėtingumą — nebėra būtinybės dideliems stiprinimo etapams, kurie įprastai padidina triukšmą, latenciją ir energijos suvartojimą.
Pagrindinė medžiaga — baltyminė nanovija, gauta iš Geobacter sulfurreducens, bakterijos, žinomos dėl gebėjimo sintetinti laidžias baltymines filamentų struktūras. UMass tyrėjų grupė anksčiau taikė šias biologines nanovijas žemos galios biosensoriams, prakaitu varomiems biofilmams nešiojamai įrangai ir oro energiją surenkančioms elektrinėms sistemoms. Dabartiniame darbe baltyminės nanovijos sudaro aktyvųjį sintetinio neurono elementą, kuris gali tiek priimti, tiek skleidžiant įtampos signalus biologiniame diapazone.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
Pirmasis autorius Shuai Fu, doktorantas elektrikos ir kompiuterių inžinerijos srityje, pabrėžė efektyvumo laimėjimus: "Mūsų smegenys apdoroja milžinišką kiekį duomenų, tačiau naudoja labai, labai mažai energijos," — sakė jis, lygindamas biologinį apdorojimą su didelių kalbos modelių ir kitų dirbtinio intelekto sistemų didelėmis energijos sąnaudomis. Naujasis dirbtinis neuronas parodo, kad baltyminė elektronika gali pasiekti įtampos amplitudes, prilygstančias gyviems neuronams, o tai yra svarbus žingsnis link hibridinių bio‑elektroninių sistemų kūrimo.
Praktiniai rezultatai apima naujos kartos nešiojamus jutiklius ir implantus, kurie galėtų komunikuoti tiesiogiai su nervų sistema be masyvių stiprintuvų. Dabartiniai nešiojami sensoriai dažnai fiksuoja biologinius signalus, kurios būna per silpnos standartinei elektronikai ir todėl reikalauja stiprinimo — tai padidina energijos suvartojimą ir įrenginių sudėtingumą. Įrenginiai, sukonstruoti naudojant žemos įtampos dirbtinius neuronus, galėtų apeiti stiprinimo poreikį, supaprastinti dizainą, sumažinti triukšmą ir prailginti baterijų veikimo trukmę.
Be to, suderinamumas su biologiniais potencialais atveria galimybes tiesioginiam signalo perdavimui tarp elektronikos ir nervų audinių be tarpinių analoginių stiprintuvų. Tai sumažina atsakymo laiką (latenciją) ir leidžia kurti jautresnes, vietoje apdorojančias sistemas, kurios realiu laiku prisitaiko prie aplinkos ar paciento fiziologijos. Tokios sistemos būtų ypač vertingos medicinoje — tiek neinvazinėse, tiek invazinėse neuroprotezavimo, smegenų stimuliacijos ar ilgalaikio neurologinio monitoringo srityse.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis technologinis proveržis susikerta su keliomis aktyviomis mokslo sritimis: neuromorfiniu kompiuterijos dizainu (aparatinė įranga, imituojanti neuronines architektūras), bioelektronika (įrenginiai, sąveikaujantys su biologija) ir sintetine biologija (organizmuose arba biomolekulėse įdiegtų naujų funkcijų kūrimas). Integravus baltymines nanovijas į grandines, galima sukurti bioinspiruotas skaičiavimo architektūras, kurios tam tikroms užduotims — pavyzdžiui, sensoriniam apdorojimui, garsų ar vaizdo signalų filtravimui ir modelių atpažinimui — būtų žymiai efektyvesnės nei tradicinės silicio pagrindu sukurtos sistemos.
Vis dėlto iššūkių dar yra daug. Ilgalaikis stabilumas ir patikimumas esant biologinėms ar aplinkos sąlygoms, biokompatibilumas ilgesniam ryšiui su audiniais ir mastelio gamybos metodų sukūrimas, leidžiantis palaikyti vienodą kokybę ir kainą, bus lemiami veiksniai, ar šios technologijos išeis iš laboratorijos į komercines ar klinikines programas. Be to, būtina spręsti klausimus, susijusius su didelio dirbtinių neuronų tinklo sujungimu — kaip užtikrinti ryšio patikimumą, sinchronizaciją bei saugią ir kontroliuojamą integraciją su gyvomis nervų struktūromis.
Taip pat reikalingi papildomi tyrimai dėl imuninio atsako į baltyminių komponentų buvimą organizme, galimų dekompozicijos kelių ir saugumo mechanizmų, kurie užtikrintų, kad implantai arba ilgalaikės sąsajos nepažeistų aplinkinių audinių. Sertifikavimo, reguliavimo reikalavimų ir klinikinių tyrimų procesai bus esminiai norint perkelti šią technologiją iš eksperimentų fazės į medicinos įrankių rinkinį.
Ateities kryptys ir galimos taikymo sritys
Artimiausioje perspektyvoje realios taikymo sritys apima žemos galios biosensorus, efektyvesnius neuralinius protezus ir adaptuojamas nešiojamąsias įrangas, kurios signalus apdoroja vietoje. Tokios sistemos gali atlikti filtravimą, triukšmo mažinimą ir pirminį požymių išgavimą be nuolatinio duomenų srauto į debesiją, todėl sumažėja energijos sąnaudos ir pagerėja privatumas bei reagavimo greitis.
Ilgesnėje perspektyvoje baltyminių nanovijų neuronų tinklai galėtų tapti neuromorfinių procesorių, skirtų kompleksiškiems, lygiagretiems skaičiavimams, pagrindu. Tokie procesoriai būtų optimizuoti konkrečioms užduotims — pavyzdžiui, sensoriniam apdorojimui, anomalijų aptikimui ar realaus laiko signalų interpretavimui — ir galėtų pasiekti daug mažesnius energijos pėdsakus nei šiandienos silicio sprendimai. Dėl to jie galėtų būti diegiami autonominėse diagnostinėse stotyse, ilgalaikiuose implantatuose arba itin mažos galios nešiojamuose įrenginiuose.
Be to, tarpinėse ar hibridinėse sistemose baltyminės nanovijos galėtų veikti kartu su tradiciniais silicio komponentais: baltyminiai dirbtiniai neuronai atliktų tiesioginį sąsajos darbą su gyvomis ląstelėmis, o silicio grandinės — aukštesnio lygio apdorojimą, duomenų saugojimą ir ryšio funkcijas. Tokia architektūra leistų optimizuoti sistemas pagal jų stipriąsias puses ir sukurti veiksmingas, energiją taupančias platformas naujos kartos bioelektronikai.
Išvados
UMass Amherst komandos sukurtas baltyminis nanovijų dirbtinis neuronas reprezentuoja reikšmingą žingsnį link energiją taupančios ir biologiškai suderinamos elektronikos, kuri tiesiogiai „kalba" smegenų elektra. Suderinus įtampos lygį su biologiniais potencialais, šie įrenginiai sumažina stiprintuvo poreikį ir nubrėžia kelią ateičiai, kur kompiuterinė įranga ir gyvieji audiniai sąveikauja natūraliau, saugiau ir efektyviau. Tolimesni tyrimai apie stabilumą, mastelio gamybą ir saugią integraciją su gyvomis sistemomis bus raktas, leidžiantis šiai technologijai pasiekti klinikinį ir komercinį pritaikomumą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą