Симбиоз мозг — компьютер: первые попытки срастить нейрон с микросхемой
Ученые из Национального исследовательского Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского (участник "Проекта 5-100") работают над созданием адаптивного нейроинтерфейса, состоящего из сопрягающихся нейрональных сетей мозга и электронных нейроморфных систем на основе мемристоров. Проект поддержан Российским научным фондом (# 16-19-00144).
Эта работа является одной из первых попыток совместить живую биологическую культуру с биоподобной нейронной сетью на основе мемристоров.
В 1971 году в статье профессора Калифорнийского университета Леона Чуа (Leon Chua) был впервые упомянут мемристор. Чуа теоретически предсказал наличие еще одного элемента электрических цепей наряду с сопротивлением, индуктивностью и емкостью, назвав его "мемристор".
Об этом определении до сих пор спорят, как спорят и насчет фундаментального вопроса: что такое мемристор? Изначально он был придуман как новый элемент электрических цепей, но сейчас многие считают, что мемристор несет в себе определенное расширение функциональных возможностей резистора: мемристор — "резистор с памятью".
В отличие от обычного резистора (сопротивления), который определяет линейную зависимость тока от напряжения, мемристор — нелинейный элемент, сопротивление которого зависит от "предыстории", — например, от того, какой ток через него протекал. Он как бы "запоминает", что через него пропускали, и его состояние меняется в зависимости от этого. Такое адаптивное поведение мемристора очень схоже с тем, что мы можем встретить в природе, — в частности, в нервной системе, где эту роль играет синапс. Соответственно, биоподобные мемристорные системы — это системы, для которых базовым элементом является мемристор.
Что касается устройств таких систем, здесь могут существовать разные подходы, и ученые ННГУ предлагают свой вариант.
На базе НИФТИ ННГУ и Нижегородского нейронаучного центра разрабатывается адаптивный нейроинтерфейс, в котором, с одной стороны, присутствует живая культура, а с другой — нейронная сеть на основе мемристоров. Мемристорные нейронные сети будут сопряжены с многоэлектродной системой регистрации и стимуляции биоэлектрической активности культуры нейронов, выполняющей функцию анализа и классификации сетевой динамики живых клеток.
В данный момент ученые исследуют возможность построения обратной связи, в рамках которой выходной сигнал с мемристорной сети будет применяться для стимуляции биологической сети — то есть впервые реализуется процесс обучения живой клеточной культуры.
В качестве живой культуры ученые используют искусственно выращенную нейрональную культуру клеток мозга. Но, в принципе, можно также использовать и срез живой ткани.
По сравнению с мировыми конкурентами, ставящими задачу "соединения живого мира и искусственных архитектур" (например, проект RAMP), преимущество проекта ННГУ состоит в том, что квалифицированные специалисты в разных областях — физики и технологии создания мемристивных наноструктур, моделирования нейронных сетей, проектирования электронных схем, нейродинамики и нейробиологии — сосредоточены как территориально, так и организационно в рамках одного университета.
Поясняет заведующий Лабораторией физики и технологии тонких пленок НИФТИ ННГУ имени Н. И. Лобачевского, кандидат физико-математических наук Алексей Михайлов: "Мы пытаемся создать прототип нейронной сети на основе мемристоров, которая по своему внутреннему устройству и функциональности подобна биологической нервной системе. Благодаря локальности мемристивного эффекта (соответствующие явления происходят в наномасштабе) и использованию современных стандартных технологий микроэлектроники можно будет получить на одном чипе большое количество нейронов и синапсов. Это отдаленная перспектива, к которой мы стремимся. То есть на кристалле, на чипе можно "вырастить" человеческий мозг. Пока мы делаем вещи попроще: пытаемся создавать гибридные электронные схемы, в которых какие-то функции реализуются на базе традиционной электроники (транзисторы), а какие-то новые функции, которые трудно реализовать в железе, обеспечиваются на основе мемристоров".
Цель проекта — создание компактных электронных устройств на основе мемристоров, воспроизводящих свойство синаптической пластичности и функционирующих в составе биоподобных нейронных сетей в сопряжении с живыми биологическими культурами. Применение гибридных нейросетей на основе мемристоров открывает удивительные перспективы. Во-первых, мемристор может помочь уместить мощности современных суперкомпьютеров на одном чипе. Во-вторых, можно будет создавать роботов, управляющих искусственно выращенной нейрональной культурой. В-третьих, такие "мозгоподобные" системы могут использоваться для замещения части живой нервной системы электронной в случае ее повреждения или заболевания.