Τεχνητή νοημοσύνη: ένα τσιπ σχεδιασμένο για να προσομοιώνει την εγκεφαλική δραστηριότητα

Για πολλές δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν ονειρευτεί τη δημιουργία ενός ηλεκτρονικού συστήματος που θα μπορούσε να αναπαράγει το ταλέντο του ανθρώπινου εγκεφάλου για να διερευνήσει νέες προκλήσεις.

Οι επιστήμονες από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση αυτού του στόχου, αναπτύσσοντας ένα τσιπ υπολογιστή που μιμείται τον μηχανισμό για την προσαρμογή των εγκεφαλικών νευρώνων ως απάντηση σε νέες πληροφορίες. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως πλαστικότητα, πιστεύεται από τους επιστήμονες ότι στηρίζεται σε πολλές λειτουργίες του εγκεφάλου, συμπεριλαμβανομένης της μάθησης και της μνήμης.

Περίπου 400 τρανζίστορ και τσιπ πυριτίου μπορούν να προσομοιώσουν τη δραστηριότητα μιας συνάψεως ενός εγκεφάλου - μια σύνδεση μεταξύ δύο νευρώνων, η οποία διευκολύνει τη μεταφορά πληροφοριών από έναν νευρώνα σε άλλον. Οι ερευνητές αναμένουν ότι αυτό το τσιπ θα βοηθήσει νευροεπιστήμονες μάθετε πολύ περισσότερα για τον εγκέφαλο, και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη των νευρικών προσθετικές συσκευές, όπως τεχνητό αμφιβληστροειδή, λέει ο διευθυντής του έργου Chi-Sang Poon.

Προσομοίωση συνάψεων

Στον εγκέφαλο, υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια νευρώνες, καθένας από τους οποίους σχηματίζει συνάψεις με μεγάλο αριθμό άλλων νευρώνων. Σύναψη - το χάσμα μεταξύ δύο νευρώνων (προσυναπτικοί και μετασυναπτικοί νευρώνες). Ο προσυναπτικός νευρώνας εκκρίνει νευροδιαβιβαστές όπως γλουταμικό και GABA, οι οποίοι δεσμεύονται με υποδοχείς στην μετασυναπτική μεμβράνη του κυττάρου ενεργοποιώντας τους διαύλους ιόντων. Το άνοιγμα και το κλείσιμο αυτών των καναλιών οδηγεί σε μεταβολή του ηλεκτρικού δυναμικού του κυττάρου. Αν οι πιθανότητες αλλάξουν αρκετά δραματικά, το κύτταρο ενεργοποιεί μια ηλεκτρική ώθηση που ονομάζεται δυναμικό δράσης.

Όλη η συναπτική δραστηριότητα εξαρτάται από τα κανάλια ιόντων, τα οποία ελέγχουν τη ροή των φορτισμένων ιόντων, όπως το νάτριο, το κάλιο και το ασβέστιο. Αυτά τα κανάλια είναι επίσης βασικά σε δύο διαδικασίες γνωστές ως μακροχρόνια ενίσχυση (LTP) και μακροχρόνια κατάθλιψη (LLC), οι οποίες αντιστοίχως ενισχύουν και εξασθενούν τις συνάψεις.

Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει το δικό τους τσιπ υπολογιστών, έτσι ώστε τα τρανζίστορ να μιμούνται τη δραστηριότητα διαφόρων διαύλων ιόντων. Ενώ τα περισσότερα τσιπ λειτουργούν σε δυαδική λειτουργία - "on / off", τα ηλεκτρικά ρεύματα στο νέο τσιπ ρέουν μέσω των τρανζίστορ σε αναλογική λειτουργία. Η κλίση του ηλεκτρικού δυναμικού προκαλεί τη ροή ροής διαμέσου των τρανζίστορ με τον ίδιο τρόπο που τα ιόντα περνούν διαμέσου των διαύλων ιόντων στο κύτταρο.

"Μπορούμε να προσαρμόσουμε τις παραμέτρους του κυκλώματος για συγκέντρωση σε συγκεκριμένο κανάλι ιόντων", λέει ο Poon. "Τώρα έχουμε έναν τρόπο να συλλάβουμε κάθε ιοντική διαδικασία που συμβαίνει στον νευρώνα."

Το νέο chip είναι μια «σημαντική πρόοδο στις προσπάθειες για τη μελέτη των βιολογικών νευρώνων και συναπτική πλαστικότητα στο CMOS [complementary metal-οξείδιο-ημιαγωγού] chip,» λέει ο Dean Buonomano, καθηγητής νευροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες, προσθέτοντας ότι «το επίπεδο βιολογικής ρεαλισμού , είναι εντυπωσιακό.

Οι επιστήμονες σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν το τσιπ τους για να δημιουργήσουν συστήματα για τη μοντελοποίηση συγκεκριμένων νευρικών λειτουργιών, όπως ένα οπτικό σύστημα επεξεργασίας. Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να είναι πολύ ταχύτερα από τους ψηφιακούς υπολογιστές. Ακόμη και σε υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης, απαιτούνται ώρες ή ημέρες για την προσομοίωση απλών κυκλωμάτων εγκεφάλου. Με το σύστημα αναλογικών τσιπ, η προσομοίωση είναι ταχύτερη από ό, τι στα βιολογικά συστήματα.

Μια άλλη πιθανή εφαρμογή αυτών των τσιπ, προσαρμογή της αλληλεπίδρασης με βιολογικά συστήματα, όπως ο τεχνητός αμφιβληστροειδής και ο εγκέφαλος. Στο μέλλον, αυτές οι μάρκες μπορούν να γίνουν τυποποιημένες μονάδες για συσκευές τεχνητής νοημοσύνης, λέει ο Poon.