Science: ученые создали синтетические клетки мозга, способные хранить воспоминания - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Science: ученые создали синтетические клетки мозга, способные хранить воспоминания

Ученые создали ключевые части синтетических клеток мозга, которые могут хранить клеточные “воспоминания” в течение миллисекунд. Это достижение может в будущем привести к созданию компьютеров, которые будут работать так же, как человеческий мозг.

Современные компьютеры могут делать невероятные вещи, но эта вычислительная мощность требует больших затрат энергии. Напротив, человеческий мозг удивительно эффективен – ему достаточно энергии, полученной из двух бананов, чтобы работать в течение всего дня. Хотя причины такой эффективности не совсем ясны, ученые пришли к выводу, что, если бы они могли сделать компьютер более похожим на человеческий мозг, он потребовал бы гораздо меньше энергии. Один из способов, которым ученые пытаются воспроизвести биологические механизмы мозга, является использование энергии ионов, заряженных частиц, которые нужны мозгу для производства электроэнергии.

 

Прототип искусственного нейрона использует наножидкие щели для имитации ионных каналов и позволяет нейронам общаться так, как они это делают в мозге. 

(Фото предоставлено: © Пол Робин, Лаборатория физического воспитания (CNRS/ENS-PSL/Университет Сорбонны/Парижский университет))

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи из Национального центра научных исследований в Париже, создали компьютерную модель искусственных нейронов, которые могут генерировать такие же электрические сигналы, которые нейроны используют для передачи информации в мозге; посылая ионы через тонкие каналы воды, имитирующие реальные ионные каналы, исследователи могли производить такие же электрические спайки (всплески), какие производит мозг. Более того, ученые создали и физическую модель этого процесса в рамках еще неопубликованного продолжающегося исследования.

“Насколько мне известно, люди впервые проделали такое с ионами”, – говорит соавтор исследования Лидерик Боке, физик Высшей нормальной школы.

На более тонком уровне исследователи создали систему, которая имитирует процесс генерации потенциалов действия — спайков (всплесков) электрической активности, генерируемых нейронами, которые являются основой активности мозга.

  • Потенциалдействия («спайк») — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в виде кратковременного изменения мембранного потенциала на небольшом участке возбудимой клетки (нейрона). В результате наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к внутренней поверхности мембраны, в то время, как в покое она заряжена положительно

Чтобы генерировать потенциал действия, нейрон начинает пропускать больше положительных ионов, которые притягиваются к отрицательным ионам внутри клетки. Электрический потенциал, или напряжение на клеточной мембране, заставляет ионные каналы с регулируемым напряжением открываться, повышая заряд еще больше, прежде чем ячейка достигнет пика и вернется в нормальное состояние через несколько миллисекунд. Затем сигнал передается другим клеткам, позволяя информации перемещаться в мозге.

Чтобы имитировать ионные каналы, управляемые напряжением, исследователи смоделировали тонкий слой воды между листами графена (очень тонкими листами углерода). Слои воды в моделировании были глубиной в одну, две или три молекулы, которые исследователи охарактеризовали как квазидвухмерную щель.

Используя компьютерное моделирование, исследователи обнаружили, что, когда они прикладывали электрическое поле к каналу, ионы в воде образовывали червеобразные структуры. По мере того, как команда применяла большее электрическое поле в моделировании, эти структуры разрушались достаточно медленно, чтобы оставить после себя “память” или намек на удлиненную конфигурацию.

Когда исследователи провели моделирование, связывающее два канала и другие компоненты, чтобы имитировать поведение нейрона, они обнаружили, что модель может генерировать всплески электрической активности, такие как потенциалы действия, и что она “запоминает” согласованные свойства в двух разных состояниях — в одном, где ионы проводят больше электричества, и в другом, где они проводят меньше. В этой симуляции “память” о предыдущем состоянии ионов длилась несколько миллисекунд, примерно столько же времени, сколько требуется реальным нейронам, чтобы создать потенциал действия и вернуться в состояние покоя. Это довольно долгое время для ионов, которые обычно работают в масштабах наносекунд или меньше. В реальном нейроне потенциал действия приравнивается к клеточной памяти в нейроне; наш мозг использует открытие и закрытие ионных каналов для создания такого рода памяти.

Новая модель представляет собой версию электронного компонента, называемого мемристором, или резистором памяти, который обладает уникальным свойством сохранять информацию из своей истории. Но существующие мемристоры не используют жидкость, как это делает мозг.

“Типичные мемристоры, с которыми я работаю, и с которыми работают другие люди в литературе, являются твердотельными мемристорами”, – сказала Джина Адам, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Джорджа Вашингтона, которая не участвовала в исследовании. Это новое исследование, по ее мнению, “очень многообещающее и очень интригующее”.

Джина Адама также отметила, что, хотя до мозгоподобных компьютеров, вероятно, еще далеко, это исследование может помочь ученым лучше понять, как мозг обрабатывает информацию, и разработать новые теории вычислений, подобных мозгу.

 

ИСТОЧНИК 

 

06.08.2021

 

Константин Тимофеев

 

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2