Электронный чип, используемый для создания искусственного транснейрона — крошечной электронной цепи, которая воспроизводит передачу сигналов между мозговыми клетками, генерируя небольшие электрические импульсы.
Роботы, способные чувствовать и реагировать на мир, как люди, вскоре могут стать реальностью, поскольку учёные создали искусственный нейрон, способный имитировать разные части мозга.
Искусственные нейроны — крошечные электронные цепи, воспроизводящие способ коммуникации мозговых клеток — лежат в основе нейроморфных вычислений, области, направленной на то, чтобы привнести интеллект, похожий на человека, в машины.
Несмотря на быстрый прогресс, современные искусственные нейроны могут выполнять только фиксированные задачи, каждая из которых выполняет узкую роль. Тысячи их необходимо объединить, чтобы воспроизвести простые функции мозга — дорогостоящий и энергозатратный процесс по сравнению с лёгкой адаптивностью мозга.
Теперь мозгоподобный интеллект может быть ближе, чем мы думаем, благодаря международной исследовательской группе во главе с Лафборо университетом, в которую входят учёные из Института Солка и Университета Южной Калифорнии.
В новой статье команда раскрывает, что их единственный искусственный нейрон — известный как «транснейрон» — может переключаться между ролями клеток мозга, участвующих в видении, планировании и движении, демонстрируя гибкость, когда-то считавшуюся уникальной для человеческого разума.
«Является ли человеческий мозг загадочным устройством, вне нашего досягаемости, или мы сможем однажды воссоздать его с помощью электроники — и, возможно, даже создать что-то более мощное?» — спрашивает профессор Сергей Савельев, эксперт по теоретической физике из Лафборо университета и соответствующий автор исследования.
«Наши исследования делают шаг к ответу на этот вопрос. Мы показали, что один искусственный нейрон может быть настроен на воспроизведение поведения зрительных, моторных и предмоторных нейронов.
«Это открывает дверь для разработки электронных чипсетов, способных выполнять сложные функции, похожие на мозг — от интерпретации визуальной информации до управления движением и действиями — всё это в небольших устройствах, использующих лишь несколько искусственных нейронов. В конечном итоге это открывает путь для большего числа роботов, похожих на людей.»
Электронные чипы, используемые для создания искусственных транснейронов — крошечных электронных цепей, которые воспроизводят передачу сигналов между мозговыми клетками, генерируя небольшие электрические импульсы. Они изображены на фоне экспериментальной установки, используемой для фиксации реакции на электрический вход.
Результаты исследования
Исследователи проверили, насколько точно их устройство имитирует мозг, подавая электрические сигналы в транснейрон и измеряя импульсы, которые он генерирует в ответ. Затем они сравнили их с электрическими импульсами, которые реальные мозговые клетки используют для общения, записанными у макак-обезьян.
Команда сосредоточилась на трёх ключевых областях мозга: одна занимается обработкой зрения, другая — для контроля движений, и третья, которая помогает подготовиться к действию. Каждый из них производит свой уникальный ритм импульсов — иногда устойчивый, иногда нерегулярный, иногда быстрыми.
Удивительно, но благодаря регулировке электрических настроек устройства один транснейрон мог воспроизвести все три типа импульсного поведения с точностью 70–100%.
«Наш мозг очень эффективен, способен выполнять сложные задачи, такие как распознавание лиц или управление движениями, используя очень мало энергии», — объясняет профессор Александр Баланов, профессор физики Университета Лафборо.
«Настраивая настройки электрических цепей наших устройств, например, меняя напряжение, мы можем заставить один и тот же блок работать как разные нейроны мозга. Мы также знаем, что наши искусственные нейроны хорошо реагируют на изменения окружающей среды, такие как давление и температура, которые могут использоваться для создания искусственных сенсорных систем.
«Всё это может привести к появлению будущих компьютеров, которые будут гораздо быстрее и потребляют меньше энергии, чем сегодня, а также роботов, способных менять своё поведение в реальном времени, как и живые существа.»
Помимо подражания: искусственный транснейрон вычисляет как мозг
Ключевым стало то, что исследователи показали, что транснейрон не просто копирует поведение нейронов — он вычисляет так же, как и они.
Когда исследователи изменяли электрические сигналы, поступающие в устройство, транснейрон скорректировал частоту генерации электрических импульсов — подобно тому, как клетки мозга изменяют свою активность в зависимости от входящих сигналов.
Когда транснейрон подавал два сигнала одновременно, он реагировал по-разному в зависимости от того, поступали ли сигналы вместе или не синхронизировались. Это говорит о возможностях, что транснейрон может различать сигналы — для этого обычно требуется совместная работа нескольких искусственных нейронов.
Как работают искусственные транснейроны
Как и другие искусственные нейроны, транснейрон исследователей — это крошечный электронный чип, который имитирует передачу сигналов между мозговыми клетками, генерируя небольшие электрические импульсы.
Его гибкость, похожая на мозг, основана на недавно обнаруженном компоненте, называемом мемристором — наноуровневым устройством, которое физически меняется, когда через него проходит электричество, позволяя ему «запоминать» прошлые сигналы и корректировать свою реакцию, подобно тому, как мозговые клетки учатся в процессе.
Когда через транснейрон проходит электричество, атомы серебра внутри мемристора смещаются, образуя и разрывая микроскопические мосты, создавая небольшие электрические импульсы.
Изменения среды мемристора — такие как температура, напряжение и сопротивление — меняют поведение импульсов.
Слева направо: профессор Александр Баланов, профессор Сергей Савельев и доктор Павел Борисов из кафедры физики Университета Лафборо. Учёные входят в команду международных исследователей, создавших новый искусственный нейрон, способный имитировать разные части мозга — что может стать ключом к более человеческой робототехнике.
Так исследователи могут настроить транснейрон так, чтобы он вел себя как разные части мозга без какого-либо программного контроля.
«Большая часть современного искусственного интеллекта работает на компьютерах, которые анализируют цифры совершенно иначе, чем наш мозг», — говорит доктор Сергей Гепштейн, эксперт по визуальному восприятию и визуально управляемому поведению в Институте Солка.
«Ваш ноутбук или телефон обрабатывают информацию по жёсткой, пошаговой логике, а мозг опирается на огромные сети нейронов, которые активируются в нерегулярных, часто непредсказуемых паттернах.
«Наш транснейрон приближает нас к созданию аппаратного обеспечения, которое не просто имитирует активность, похожую на мозг, в программном обеспечении, но действительно работает как мозг.»
Создание искусственной нервной системы для роботов
Следующая задача, по словам исследователей, — создать «кору мозга на чипе», интегрируя несколько транснейронов в взаимосвязанные сети, способные восприятия, обучения и контроля.
Команда считает, что эта технология может произвести революцию в робототехнике, заложив основу для роботизированной нервной системы — позволяя машинам чувствовать, адаптироваться и реагировать на мир как живые организмы.
«Эта работа знаменует собой небольшой, но значительный шаг к созданию роботов с искусственными нервными системами», — говорит профессор Джошуа Янг, эксперт по электротехнике и компьютерной инженерии из Университета Южной Калифорнии.
«Такие системы могли бы позволить роботам учиться более эффективно, используя меньше энергии, времени и данных.
«Они также могли бы поддерживать непрерывное обучение на протяжении всей жизни — легко адаптироваться к новым опытам. Эти повышения эффективности и возможности остаются вызовом для современных систем искусственного интеллекта.
Использование транснейронов в человеческом мозге
Доктор Павел Борисов, экспериментальный физик из Университета Лафборо, говорит, что это исследование также может помочь нам понять собственный мозг.
«Это немного приближает нас к воссозданию хотя бы небольшой части мозга в электронной форме», — сказал он.
«Устройства, подобные тем, что описаны в этой статье, однажды могут использоваться для разговора и прослушивания центральной нервной системы человека, а также для замены или дополнения определённых областей нашего мозга.
«С другой стороны, эти искусственные нейроны могут стать песочницей для нейроучёных, пытающихся понять, как области мозга взаимодействуют друг с другом, или даже лучше понять, как формируется наше сознание.»