Инженеры в США разработали искусственные нейроны, которые «общаются» с настоящими клетками мозга, прокладывая путь к более совершенным мозговым имплантам

Наш прогноз: совсем скоро в Китае тоже смогут создавать такие искусственные нейроны.

Фото: чтобы создать искусственные нейроны, исследователи используют струйный принтер для нанесения электронных чернил на гибкую полимерную подложку.

Инженеры напечатали крошечные искусственные нейроны, которые могут «общаться» с клетками мозга мышей. Эта разработка может открыть путь к инновациям в области вычислительной техники и медицины.

Работа, опубликованная 15 апреля в журнале Nature Nanotechnology, вносит вклад в развитие отрасли, целью которой является создание компьютеров, имитирующих работу мозга.

Hadke, S.S., Klingler, C.N., Brown, S.T. et al. Printed MoS2 memristive nanosheet networks for spiking neurons with multi-order complexity. Nat. Nanotechnol. (2026). doi 10. 1038/ s41565-026-02149-6

Есть надежда, что более совершенные искусственные нейроны приведут к созданию "нейроморфных компьютеров," нового типа вычислительных устройств, которые могут существенно повысить энергоэффективность искусственного интеллекта (ИИ).

"Мы пытаемся максимально точно имитировать мозг", - сказал соавтор исследования Марк Херсам, профессор материаловедения и инженерии Северо-Западного университета (США). "Наша задача состоит в том, чтобы придумать альтернативу традиционным цифровым вычислениям для обработки больших объемов данных более энергоэффективным способом ", - сказал он в комментарии для Live Science.

Эта работа также может привести к появлению новых интерфейсов «мозг — компьютер», которые позволят управлять электронными устройствами с помощью мозговой активности. Интерфейсы «мозг — компьютер» можно использовать, например, для управления протезами конечностей или вспомогательными средствами коммуникации.

Поскольку нейроморфные компьютеры имитируют работу мозга, они должны хорошо взаимодействовать с его тканями. Кроме того, некоторые ученые предполагают, что искусственные нейроны смогут заменить поврежденные нервные клетки или восстановить утраченные функции мозга при таких дегенеративных заболеваниях, как болезнь Альцгеймера.

Мозг в чипе

Для восстановления [повреждённой] мозговой ткани нельзя использовать традиционные кремниевые чипы, которые представляют собой жесткие конструкции из повторяющихся транзисторов, расположенных в виде двумерных структур. Они имеют фиксированные соединения, которые не могут эволюционировать.

Это совсем не похоже на хрупкую инфраструктуру мозга. Клетки мозга физически гибкие, они различаются в зависимости от расположения и взаимодействуют друг с другом в трехмерной матрице, которая меняется с течением времени. Соединения между нейронами могут становиться крепче, если их постоянно использовать, или ослабевать, если они используются недостаточно. Все эти свойства необходимы для создания сложных процессоров, которые постоянно анализируют окружающий нас сложный мир.

Из-за этих несоответствий между мозгом и механизмами большинство интерфейсов «мозг — компьютер» не могут полностью интегрироваться в мозг. Вместо этого они используют относительно грубые импульсы для связи с нейронами. Чтобы создать эффективные искусственные нейроны, нужны материалы, которые по своим свойствам и действию будут напоминать нейроны, то есть будут имитировать паттерны нейронной активности и при необходимости корректировать эти сигналы.

Искусственные нейроны разработанные до этого исследования, как правило, состоят либо из мягких органических материалов, таких как гели или ткани, способные проводить электрические и химические сигналы, либо из твердых оксидов металлов. У каждого подхода есть свои недостатки: в то время как мягкие материалы генерируют импульсы слишком медленно, твердые материалы генерируют их слишком быстро, объяснил Херсам.

Чтобы лучше воспроизвести нейроны, Херсам и его команда использовали чернила для печати с добавлением крошечных хлопьев дисульфида молибдена — неорганического соединения, которое действует как полупроводник, и графена — электрического проводника. Чернила наносятся на гибкую полимерную подложку.

Исторически сложилось так, что такие подложки считались помехой, поскольку полимеры препятствовали прохождению электрического тока. Но, как выяснили Херсам и его коллеги, это может быть преимуществом для искусственных нейронов, поскольку с помощью полимеров можно управлять прохождением электрического тока через искусственно созданный нейрон.

«Ключевым новшеством стало частичное разложение полимера», — сказал Херсам.

Тщательно контролируя процесс нагревания и разрушения полимера, инженеры могут создавать крошечные энергетические потоки. Вместо того чтобы постепенно увеличиваться, ток, проходящий через нейрон - сначала нарастает, а затем спадает, что приводит к резкому высвобождению энергии, подобно спайк у нейрона. Это явление называется «отрицательным дифференциальным сопротивлением».

Настроив параметры устройства, команда смогла генерировать более сложные паттерны сигналов, в том числе серию импульсов, распределенных во времени, или внезапные всплески импульсов. «Мы можем воспроизвести все типы импульсных реакций, имитирующих биологические процессы», — говорит Херсам.

Чтобы доказать это, ученые поместили искусственные нейроны рядом с образцами мышиного мозга в лабораторную чашку. Они обнаружили, что мышиные нейроны срабатывали с той же частотой, что и искусственные, а значит, ткань могла декодировать искусственный сигнал так, как если бы он исходил от настоящей ткани.

Искусственные нейроны будущего

Тимоти Леви, профессор биоэлектроники, работающий над созданием искусственных нейронов в Университете Бордо во Франции, высоко оценил новый тип искусственных нейронов, отметив, что они «могут работать с той же частотой, что и обычные нейроны».

Леви, не принимавший участия в исследовании, сказал, что эта работа дополняет серию недавних исследований, показывающих, что искусственные нейроны могут взаимодействовать с биологическими нейронами. По словам Леви, эти разработки появились на фоне множества достижений в области создания искусственных нейронов, их взаимодействия друг с другом и достижений программирования.

Однако он подчеркнул, что искусственные нейроны еще далеки от полноценного взаимодействия с биологическими нейронами. «Мы можем управлять ими в течение короткого времени, но не долго, — сказал он, — так что, например, они пока не подходят для постоянного использования в человеческом мозге".

Леви и Херсам отметили, что предстоит еще много работы, чтобы понять, как работает мозг, и научиться точно воспроизводить его функции на компьютере. Более того, одних искусственных нейронов недостаточно — их нужно соединить с помощью искусственных синапсов.

Live Science, статья

Scientists invent artificial neurons that 'talk' to real brain cells, paving way to better brain implants

By Marianne Guenot

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: