Инженеры из Северо-Западного университета создали искусственные нейроны, которые не просто имитируют работу клеток мозга, а могут напрямую взаимодействовать с живой нервной тканью.
Это гибкие и недорогие устройства, напечатанные с помощью специальных материалов. Они создают электрические сигналы, очень похожие на те, которые возникают в настоящих нейронах. В экспериментах на срезах мозга мышей такие искусственные нейроны смогли вызвать реакцию у живых клеток.
Для ученых это важный шаг к электронике, которая сможет напрямую соединяться с нервной системой. В будущем подобные технологии могут использоваться в интерфейсах «мозг — машина» и нейропротезах, например в имплантах, помогающих восстанавливать слух, зрение или движение.
Есть и другое направление — более энергоэффективные вычисления. Современный искусственный интеллект требует огромных объемов данных и энергии. Руководитель исследования Марк Херсам объясняет: мозг примерно на пять порядков энергоэффективнее цифрового компьютера, поэтому ученые пытаются брать с него пример для создания новой вычислительной техники.
Обычные компьютеры строятся на жестких кремниевых чипах, где миллиарды одинаковых транзисторов работают по заданной схеме. Мозг устроен иначе: в нем много разных типов нейронов, они образуют мягкие трехмерные сети и постоянно меняют связи во время обучения.
Чтобы приблизиться к такому принципу, команда использовала мягкие печатные материалы. В основе — электронные «чернила» из наночастиц дисульфида молибдена, который работает как полупроводник, и графена, проводящего электричество. Эти материалы наносили на гибкую полимерную поверхность методом аэрозольной печати.
Интересно, что раньше полимер в таких чернилах считали помехой и удаляли после печати. В этой работе его, наоборот, использовали как часть механизма. При прохождении тока в материале образуется узкий проводящий путь. Он и дает резкий электрический отклик, похожий на «выстрел» нейрона.
Такие искусственные нейроны могут создавать разные типы сигналов: одиночные импульсы, непрерывную активность и серии всплесков. Это делает их ближе к настоящей нейронной коммуникации.
Затем исследователи проверили, смогут ли эти сигналы работать с живой тканью. Команда Индиры Раман применила их к срезам мозжечка мышей. Оказалось, что импульсы совпадают с важными биологическими параметрами — по времени и длительности. Они надежно активировали реальные нейроны и запускали нейронные цепи похожим на естественную активность образом.
По словам Херсама, другие лаборатории уже пытались создавать искусственные нейроны из органических материалов или оксидов металлов, но сигналы получались либо слишком медленными, либо слишком быстрыми. В этом случае ученым удалось попасть в нужный временной диапазон и получить форму импульса, с которой живые нейроны действительно могут взаимодействовать.
У технологии есть и практическое преимущество: производство простое, недорогое и менее расточительное, потому что печать наносит материал только туда, где он нужен.
Авторы считают, что такие искусственные нейроны могут быть важны не только для медицины, но и для будущего искусственного интеллекта. Чем сложнее становятся ИИ-системы, тем больше энергии и охлаждения требуют дата-центры. Поэтому исследователи ищут новое «железо», которое сможет выполнять сложные задачи гораздо экономнее — по принципам, близким к работе мозга.
