Искусственные нейроны Northwestern «поговорили» с живым мозгом

Инженеры из Northwestern University напечатали на струйном принтере искусственные нейроны, которые умеют не только имитировать сигналы мозга, но и активировать настоящие нервные клетки. В экспериментах со срезами мозжечка мыши биологические нейроны отвечали на импульсы синтетических устройств так, будто получили сигнал от соседней живой клетки.

Главная сложность всех предыдущих искусственных нейронов — слишком упрощенные сигналы. Кремниевые системы достигают сложности за счет миллиардов одинаковых элементов: все стандартизовано, жестко и неизменяемо после производства. Биологический мозг устроен ровно наоборот — он гетерогенный, динамичный и трехмерный, с разными типами нейронов под разные задачи. Чтобы воспроизвести богатство паттернов настоящих нейронов, инженерам приходилось собирать огромные энергоемкие сети из примитивных элементов.

Команда под руководством Марка Херсама применила аэрозольно-струйную печать электронными чернилами на основе наночешуек дисульфида молибдена (MoS₂) — он работает как полупроводник, и графена в роли проводника. Чернила наносятся на гибкую полимерную подложку. Результат — устройство, которое выдает не просто одинокие импульсы, а полный набор биологических паттернов: одиночные спайки, непрерывный разряд и берсты. Это означает, что один такой искусственный нейрон кодирует значительно больше информации, чем раньше. В вычислительной системе их нужно меньше — а значит, схема работает эффективнее.

Чтобы проверить, действительно ли синтетические нейроны способны общаться с биологией, Hersam обратился к лаборатории Indira M. Raman, профессора нейробиологии в Northwestern. Ее группа подала сигналы искусственных нейронов на срезы мозжечка мыши. Живые нейроны откликнулись. «Можно увидеть, как живые нейроны отвечают нашему искусственному», — комментирует Hersam. — «Мы продемонстрировали сигналы, у которых правильный не только временной масштаб, но и форма спайка — настолько, что они напрямую взаимодействуют с живыми нейронами».

У работы два направления применения. Первое — биоэлектроника и нейропротезы: импланты для слуха, зрения, восстановления движения, интерфейсы мозг-компьютер. Второе — энергоэффективные нейроморфные чипы. Херсам напоминает, что под запросы ИИ компании уже строят гигаваттные дата-центры со своими электростанциями: «Чтобы сделать ИИ умнее, его обучают на все больших объемах данных, и это ведет к огромной проблеме энергопотребления. Мозг — самый энергоэффективный из известных компьютеров, он на пять порядков экономичнее цифрового. Логично искать вдохновение именно там».

P.S. Поддержать меня можно подпиской на канал «сбежавшая нейросеть«, где я рассказываю про ИИ с творческой стороны.