Найти в Дзене

Нейрогибридная микроэлектроника для решения биомедицинских и вычислительных задач

Мухина Ирина Васильевна, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии им. Н.Ю. Беленкова Приволжского исследовательского медицинского университета Нейрогибридные системы — нейроморфные чипы, связанные с живыми нервными клетками. Основная сфера применения нейрогибридных систем — нейропротезирование и создание биосенсоров. Однако в будущем они могут стать основой компьютерных технологий нового поколения. Мозг человека содержит десятки миллиардов нейронов и до квадриллиона синапсов (контактов между двумя нервными клетками). Нейроны через синапсы связаны друг с другом в локальные и иерархичные нейронные сети, которые постоянно реагируют на любые входящие сигналы или поддерживают спонтанную биоэлектрическую активность в отсутствие внешних сигналов при минимальной затрате энергии. Понятно, что на сегодняшний день развития микроэлектроники и вычислительной техники даже самым современным процессорам не под силу создать даже небольшую часть этой уникальной при

Мухина Ирина Васильевна, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии им. Н.Ю. Беленкова Приволжского исследовательского медицинского университета

Нейрогибридные системы — нейроморфные чипы, связанные с живыми нервными клетками. Основная сфера применения нейрогибридных систем — нейропротезирование и создание биосенсоров. Однако в будущем они могут стать основой компьютерных технологий нового поколения. Мозг человека содержит десятки миллиардов нейронов и до квадриллиона синапсов (контактов между двумя нервными клетками). Нейроны через синапсы связаны друг с другом в локальные и иерархичные нейронные сети, которые постоянно реагируют на любые входящие сигналы или поддерживают спонтанную биоэлектрическую активность в отсутствие внешних сигналов при минимальной затрате энергии. Понятно, что на сегодняшний день развития микроэлектроники и вычислительной техники даже самым современным процессорам не под силу создать даже небольшую часть этой уникальной природной системы. Современные компьютерные технологии развиваются по двум основным направлениям: логическому и нейроморфному. Первый ориентирован на создание все более мощных и производительных машин, построенных по традиционному принципу. Второй — на разработку компьютерных систем, имитирующих работу человеческого мозга, и в конечном итоге – на создание его искусственного аналога. Один из секретов эффективности мозга в том, что его клетки — нейроны — одновременно выполняют функции процессора и устройства памяти. А в большинстве современных вычислительных устройств эти два функциональных блока разнесены.

Технология «мозг-на-чипе» или «мозг в пробирке»

Нейрогибридные системы активно исследуют с конца 20-го века, когда были проведены первые эксперименты по обучению нейрональной культуры — сети из десятков тысяч живых нейронов, выращенных "в пробирке". Биологические нейронные сети обладают рядом отличий от искусственных нейронных сетей: (1) активность нейронов при передаче и обработке нервных импульсов регулируется свойствами мембраны; (2) функции нейрона могут меняться и адаптироваться к условиям среды (рН, температура, жесткость, геометрия, состав и др.); (3) схемы проводящих путей мозга являются генетически запрограммированными; (4) в процессе развития мозга возможно локальное изменение нейронных сетей с формированием новых соединений между нейронами (пластичность нейронных сетей); (5) нейронные сети взаимодействуют с клетками мозга других типов (астроцитарные сети, микроглия), имеющими отличные от нейронов временные и пространственные характеристики; (6) разрешение нейронных сетей: пространственное – мкм, временное – мс; (7) нейронные сети могут формировать временные функциональные системы. Изъятые из организма нейроны вместе с другими клетками мозга могут быть выращены на специальных чипах с сотнями и тысячами микроэлектродов, которые будут регистрировать биоэлектрическую активность отдельных нейронов в виде внеклеточных потенциалов действия (импульсов). Кооперативная активность нейронов в составе простых и сложных нейронных сетей in vitro повторяет все характеристики биологических нейронных сетей целостного мозга, а значит, можно заглянуть на клеточном уровне в таинство обработки информации в мозге. И не просто подсмотреть с помощью электрофизиологических и оптических методов за активностью сетей, а проконтролировать – простимулировать различными входными сигналами, получить ответ on-line.

Как понять язык нейронных сетей in vitro?

Важно научиться понимать язык нейронных сетей, культивируемых на чипе, ведь обычно в целостном организме мы регистрируем интегральный ответ мозга через какие-то действия: движения или речь, например. А в случае нейронной сети в пробирке у нас нет исполнительного органа – сенсорного или моторного. Но зато есть богатый набор или паттерн импульсов (сетевая пачка импульсов), который и отражает объективно процесс переработки информации. Например, система, названная Brainoware, представляет собой подключенный к микросхемам "мини-мозг" — органоид из нейронов, выращенных из плюрипотентных стволовых клеток человека. Исследователи поместили фрагмент культивированной нервной ткани на пластину с тысячами электродов, соединяющих устройства ввода и вывода, в качестве которых использовали обычные компьютеры. Нейронная сеть органоида способна преобразовывать звуки в набор электрических сигналов. Если на выходе поместить датчик, декодирующий их с помощью алгоритмов машинного обучения, то получится готовая система распознавания речи с помощью реальной нейронной сети – быстро и без затраты энергии.

-2

От теории к практике применения нейрогибридных устройств

Основная проблема нейронных культур in vitro связана с однородной сетевой структурой, которая развивается в клетках со случайным рисунком на подложке. За последнее десятилетие были разработаны новые методы нейроинженерии для контроля положения клеток и направления роста аксонов и дендритов. Недавно было показано, что основная особенность топологии функциональной сети в виде однонаправленной синаптической связи между кластерами клеток также может быть сконструирована с использованием микрофлюидной технологии. Будучи имплантированными в поврежденный мозг, такие инструменты манипулирования структурой сети позволяют имитировать области мозга, которые участвуют в рефлекторной активности, поиске паттернов в многослойной однонаправленной сети для восстановления нервной ткани после травмы головного мозга.

Биосовместимость и механическое соответствие материалов являются ключевыми проблемами, возникающими на пути к нейронной интеграции. Эти проблемы уже решались во многих коммерческих мультиэлектродных системах с использованием золота, платины, оксида индия-олова (ITO) и нитрида титана (TiN) в качестве электродных материалов. Отношение сигнал/шум (SNR) сильно зависит от биологической части системы и может быть увеличено за счет малого импеданса регистрирующих электродов. Чтобы уменьшить импеданс и повысить эффективность передачи заряда, площадь поверхности электродов покрывают пористыми проводящими материалами, такими как Pt-black, наночастицы Au, углеродные нанотрубки (УНТ) и проводящие полимеры, такие как поли (3,4- этилендиокситиофен) (PEDOT). Более того, повышенная биосовместимость была продемонстрирована для электродов с наноструктурированной пористой поверхностью в виде PEDOT: PSS с лазерным микропаттерном. Следующий уровень улучшенной совместимости электродов с клетками или живой тканью основан на использовании материалов внеклеточного матрикса (белки, полисахариды), которые повышают адгезивные свойства электродов и снижают риск воспалительных процессов.

Нейрогибридный мемристивный чип

Перспективным является и быстроразвивающееся направление в области искусственного интеллекта по созданию нейрогибридного мемристивного чипа, основанного на комбинации живых нейронных сетей, выращенных в микрофлюидной / микроэлектродной системе, металлоксидных мемристивных устройств или матриц, интегрированных со слоем CMOS со смешанным сигналом, для управления аналоговыми мемристивными схемами, обработки декодированной информации и организации обратной стимуляции биологической культуры как частей двунаправленного нейроинтерфейса. Основное внимание уделяется современным подходам к культивированию и пространственному упорядочению сети диссоциированных нейронных клеток мозга, изготовлению крупномасштабного массива мемристивных устройств, адаптированных с использованием приборостроения, резистивного программирования состояний или нелинейной динамики, а также аппаратной реализации нейронных сетей spiking neural networks (SNN) на основе массивов мемристивных устройств и интегрированной КМОП-электроники. Концепция представляет собой пример системы "мозг-на-чипе", принадлежащей к более общему классу мемристивных нейрогибридных систем для робототехники нового поколения, искусственного интеллекта и персонализированной медицины, обсуждаемой в рамках предлагаемой дорожной карты на период следующего десятилетия.

-3

Быстрый прогресс во внедрении мемристивных нейроморфных систем позволяет не только ожидать в ближайшем будущем создания мозгоподобных сетей с мемристивной пластичностью для новых компьютерных парадигм, но и сделать следующий шаг: разработать мемристивные нейрогибридные системы на основе внутренней аналогии свойств мемристивных и природных биологических нейронных сетей. По мере роста количества доступных мемристивных нейронов и совершенствования технологии их изготовления можно ожидать увеличения числа инновационных решений для переосмысления нейронных структур в виде электронных мемристивных схем со все более биологически правдоподобными функциями.

#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки