Новости мира высоких технологий — Коллекционер будущего

Наша нервная система является одним из самых сложных и удивительных объектов, известных человечеству. Практически все, что вы видите вокруг себя, сформировано и создано в ходе человеческой деятельности, в основе которой лежит неравная система. Одним из самых основных компонентов нервной системы и, в частности, головного мозга, является нейрон. Только в головном мозге этих клеток почти 100 миллиардов! А связей между нейронами – синапсов – на несколько порядков больше! Причем процесс передачи информации между нейронами, все взаимодействия молекул химических веществ (нейротрансмиттеров) в синапсе, необычайно сложен и необычен.

Возможно ли нашу нервную систему, все взаимодействия, происходящие в ней, обуславливающие наши психические и иные процессы, воссоздать искусственным путем?

Лет 5 назад даже создание искусственных синапсов и нейронов звучало неправдоподобно. Однако буквально за два года ситуация изменилась коренным образом.

Сразу вспомним основы. У нейронов есть множественные отростки – дендриты – на которые приходит сигнал, а также один аксон, через который сигнал идет на другие дендриты. Сигнал «перепрыгивает» с аксона на дендрит через место их сближения – нервный синапса, в который при получении сигнала из аксона выделяются нейротрансмиттеры, попадающие на рецепторы дендритов. Одни нейротрансмиттеры увеличивают другие уменьшают заряд мембраны дендрита. Когда заряд доходит до определенного значения, появляется импульс, который идет по дендритам через тело нейрона в аксон.

Бурное начало

Весной позапрошлого года, компания IBM сообщила о своих намерениях воссоздать нейрональный синапс и нейрон искусственным путем. В конце весны несколько китайских и американских компаний представили миру адекватные компьютерные модели различных типов синапсов, в которых могут действовать модели всех известных человечеству нейротрансмиттеров.

Летом 2016го года исследователи IBM сообщили о создании первых в мире стохастических нейронах с фазовым переходом. Фазовый переход— переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. В принципе, то же делает наш мозг. Извне поступает новая информация, он реагирует определенной активностью. Только на основе таких нейронов уже могут создаваться модели, соответствующие самым примитивным биологическим мозгам.

Стохастичность искусственного нейрона соответствует случайности с которой образуются многие межнейрональные связи, обеспечивая успешную продолжительную работу головного мозга. Количество «случайных связей», которые может установить и разорвать искусственный нейрон обусловлено временем перехода из активного в спокойный режим (после проведения импульса), которое зависит от физических свойств самого нейрона. В исследованиях сравнивали количество синапсов, возникающих и разрывающихся в группе реальных нейронов с количеством связей в группе искусственных аналогов за одно и то же количество времени. Они совпадали.

Как и в реальном, в искусственном нейроне от IBM имеются множественные входы – дендриты, мембрана с аналогами рецепторов, ядро и один выход — аксон. Подчеркну, что реальная мембрана нейронов – это двойной слой липидов, который пропускает сигнал только при аккумуляции определенного заряда на дендрите. Так же работает и искусственная мембрана, представляющая этакую совокупность резисторов и конденсаторов из сплава германия, сурьмы и теллура.

Только благодаря своим искусственным стохастическим нейронам компания IBM за полтора года в разы улучшила эффективность процессов обучения нейросети. В частности, появились системы когнитивных вычислений, способные гораздо быстрее производить анализ большого количества непрерывно поступающих данных. Однако иногда искусственные стохастические нейроны выдавали ошибку и не могли проводить импульс из-за непредсказуемости движения определенных ионов в синапсе.

Прорывы этого года – нейроны лучше

Но время не стоит на месте. И уже в этом году (хотя прошло-то его неполных 3 месяцы) было представлено несколько проектов, пододвигающих ближе к нам создание искусственной нервной системы.

В Массачусетском технологическом институте все же смогли создать идеальный синапс, в котором не было вышеобозначенной проблемы с ионами. Идея исследователей – создать компьютер, который в своей работе был бы подобен мозгу. То есть сразу отказались от «цифры» — от бинарных вычислений с единицами и нулями. Любые ионы, попадающие из внешней среды в созданный синапс и являются переносчиками информации (они же несут свой заряд). Для предотвращения попадания искусственный синапс нейронов из внешней среды был создан аналог изолированной синаптической щели, вещества в которую могли попадать только из других искусственных нейронов. Ранее для создания искусственных синапсов использовали аморфные материалы, из которых ионы могли непредсказуемо вылетать в разные направления. Справится с этим помогло встраивание в оболочку искусственных нейронов покрытия из монокристаллического кремния, в котором в строго определенном месте были отверстия, через которые и могли выходить или приходить определенные ионы. Чтобы сделать движение ионов еще более предсказуемым и направленным сверху все покрыли слоем германия с аналогичными отверстиями. Вот мы и получили прекрасный искусственный аналог рецептора!

После первого комплекса испытаний, полученных на основе такого синапса нейроморфных чипов, исследователи уверенно заявляют, что в ближайшем будущем даже небольшая группа подобных нейроморфных чипов (общим размером в пару кубических сантиметров) сможет выполнять те же объемы вычислений, что и продвинутые суперкомпьютеры наших дней.

Нейроны быстрее

Ученые в Колорадском университете тоже не сидели на месте и создали свои типы искусственных нейронов, которые смогли передавать сигналы в разы быстрее настоящих, которыми пользуемся мы! То есть не исключается возможность, что грядущие искусственные нервные системы будут эффективнее наших!

В данном типе «нейронов» задействованы сверхпроводящие структуры, включающие в свой состав атомы ниобия, что позволяет импульсу проходить по такому «нейрону» практически без сопротивления.

Роль синаптической щели и нейротрансмиттеров выполняла среда, заполненная марганцем. С одной стороны, полученная модель по эффективности формирования нейронных связей далеко позади нашей естественной нервной системы. С другой стороны, наши нейроны передают только до сотни импульсов в секунду, а данные искусственные аналоги проводят около миллиарда (!!!) сигналов в секунду.

Нейроны интереснее

И еще одна команда смогла в этом году на общественный суд преподнести свои искусственные нейроны. Исследователи из национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали искусственный синапс, представляющий из себя сверхпроводящий металлический цилиндр.

Этот синапс может не только проводить около миллиарда сигналов в секунду, но и тратит на это меньше энергии, чем тратит наш синапс за секунду (проводя, напомню, до 100 импульсов).

Самое интересное в том, что данный нейрон способен к имитации основного процесса, который лежит в основе нашей обучаемости – имитации нейропластичность. Чем больше проходит сигналов по таким синапсам, тем прочнее становится связь «нейронов», формирующих этот синапс.

Подведем итог. Что мы видим? Активно идут разработки устройств, работающих подобно нашим нейронам. В том, что разные исследователи создают «нейроны» с разными свойствами, воспроизводящие разные стороны наших биологических нейронов, Я вижу только плюсы. В дальнейшем модели, объединяющие все наработки, смогут быть все ближе к биологическим системам. Не далек тот день, когда пораженные болезнью участки главного мозга можно будет заменить искусственными протезами, которые помогут не только справится с проблемой, но и улучшить наш собственный интеллект.

Источник: futurecollector.com

Комментарии: