Клетки Пуркинье и их «дендритный лес». Википедия
Большинство созданных на сегодняшний день искусственных цифровых и нейроморфных нейросетей основаны на активации нейронов, а не на общей структуре соединений нейронов между собой. Сама крайне сложная сеть мозга в таких моделях, как правило, сводится к некоторым простым схемам. В новой архитектуре ученые предложили другой подход, он более энергоэффективен и больше похож на естественный мозг.
Исследователи из Университета Цинхуа, Китай представили новую нейроморфную вычислительную архитектуру, которая воспроизводит физическую структуру дендритов и синапсов — соединений между нейронами мозга. Новая архитектура описана в статье, опубликованной в Nature Electronics.
Сегодня нейроморфные процессоры реализуют как правило работу искусственных синапсов. Машинное обучение строится на их синаптической пластичности. Но мозг устроен не так. Нейрон получает сигналы от множества других нейронов через дендриты. У некоторых нейронов дендритов очень много — сотни тысяч. Дендриты разные — они передают разные нейротрансмиттеры, одни из них — возбуждающие, другие тормозящие. В большинстве исследований дендриты моделируются, как простые, практически правило одинаковые линии передачи данных, а мозге все совершенно иначе.
Искусственные дендриты
В новой работе ученые отмечают, что дендриты в мозге имеют сложную древовидную структуру. Сигналы, которые они передают, пространственно распределены и специфичны для разных ветвей. Соединения передающих аксонов и принимающих дендритов генерирует разную реакцию синапсов.
Ученые разработали новое устройство, которое отражает морфологию биологических дендритов. Это устройство, названное «дендристор», имитирует работу, выполняемую дендритами. Ученые использовали для этого физику многозатворных транзисторов, покрытых ионно-легированной золь-гель пленкой.
«Эта пленка имитирует дендритные ветви, позволяя легированным ионам двигаться аналогично ионам в нейронных дендритах, модулируя ток транзистора, чтобы отразить изменения в мембранном потенциале дендритов», — говорит соавтор работы Юнхэ Бэк. Насколько точно дендристор передает работу естественных дендритов ученые попробовали проверить, создав так называемый «молчащий синапс».
Не всегда синапс, получив сигнал, передает его в нейрон, это зависит от получаемых нейротрансмиттеров и от состояния самого синапса. Напряжение в каждой ветви дендристора в золь-гель пленке гарантирует, что синапс активируется только тогда, когда напряжение на пленке достигает определенного порога. Если напряжение не достигает нужного уровня — синапс «молчит», как и происходит в мозге.
В отличие от других существующих нейроморфных вычислительных платформ, новая архитектура воспроизводит всю структуру связности нейронов, включая морфологию дендритов и молчащие синапсы.
Нейроморфные процессоры
Передачу информации в мозге удалось воссоздать с помощью электронных нейронов
Весь мозг на одном кристалле. Будущее мемристоров приближается
Новые нейроморфные процессоры приближают компьютеры к возможностям человеческого мозга
«Разреженность и морфология нейронных сетей были слабо использованы при создания ИИ», — говорит соавтор работы Карло Витторио Канистрачи. — «Наше исследование впервые показывает, как использовать эти две особенности реальных сетей мозга для разработки нейроморфных нейронных сетей следующего поколения».