0
7817
Газета Интернет-версия

22.11.2022 18:10:00

Модные и умные нейроморфы

Успехи биофизиков пытаются реализовать в «железе» контакт между нейронами

Игорь Лалаянц

Об авторе: Игорь Эруандович Лалаянц – кандидат биологических наук.


Искусственный синапс. Графеновая 2D-сетка используется как регулятор в синапсе между пресинаптическим бутоном, внутри которого расположены розовые везикулы, с нейромедиатором и шипиком. Иллюстрация Physorg

Римляне учились у греков, поэтому в латыни много слов, позаимствованных у древних греков. Одно из них – «морфа»: образ, обращение. И мало кто мог подумать, что слово станет очень популярным у современных электронщиков, вынужденных искать решения многих накопившихся проблем с помощью… нейробиологов.

Долгие десятилетия начиная с конца 50-х прошлого века морфологи, то есть ученые, занимающиеся изучением биологических структур и образований на клеточном уровне, пытались разобраться с синапсами, представляющими собой точки межнейрональных контактов. Довольно поздно к биологам пришло осознание того факта, что нейрон представляет собой типичный транзистор, название которого представляет собой соединение слов «трансфер» и «резистор».

Вот и у нервной клетки есть вход-эмиттер и выход-коллектор («сток»), а также пропускные «ворота» (gate), или база. Эти структурные элементы представлены древовидными отростками – дендритами, «выходным» аксоном и генерирующим сигнал-импульс телом нейрона. Аксон на своем конце образует небольшое расширение (bouton), к мембране которого доставляются по аксону пузырьки-везикулы с нейротрансмиттерами – химическими передатчиками нервных сигналов.

При поступлении возбуждающих ионов кальция везикулы открываются, и медиаторы нейронного импульса поступают в синаптическую щель. На противоположном ее краю расположены белковые рецепторы нейромедиаторов, встроенные в оболочку постсинаптического шипика (cone). Соединение этих шипиков способствует прохождению сигнала в другую клетку и распространение его по нейросетям.

Ничего подобного нельзя вообразить при использовании кремниевых чипов, обрабатывающих цифровую информацию. Это давно уже не устраивает электронщиков. Дело в том, что они сталкиваются с проблемой, которую породил ученый венгерского происхождения Джон фон Нейман. Увлекавшийся квантовой физикой Нейман приложил руку к созданию ЭВМ, исходным элементом которых были ТВ-трубки, генерировавшие сигнал, сохранявшийся на магнитную ленту.

Так исторически были разнесены процессор и память, к которой процессор был вынужден постоянно обращаться. И по сей день по этому пути перегоняются большие массивы данных. Ничего подобного нет в мозге, нейроны которого обрабатывают информацию и хранят ее в памяти. Поэтому мы, находясь в здравом уме и светлой памяти до глубокой старости, мгновенно вспоминаем все, что нам нужно, не загружая при этом функционалы нейросетей.

Неудивительно, что ученые сегодня обращают свои взоры в сторону нейроморфных компьютеров, на основе которых будут строиться антропоморфные роботы.

Сотрудники Технического университета в датском г. Линби предложили коллегам «дорожную карту», в которой описали перспективы создания нейроморфных компьютеров. Об этом писал журнал Neuromorphic Computer Engineering в 2020 году.

Датчанам в начале августа нынешнего года ответил Институт электронных материалов в немецком Аахене, сотрудники которого вместе со швейцарскими коллегами из Цюриха использовали в своих экспериментах хорошо известные мемристоры. Принцип их действия заключается в изменении сопротивления при возрастании вольтажа-напряжения, что позволяет одновременно сохранять изменение в памяти. Тем самым снимается проблема фон Неймана, генерируется искусственный синапс и уменьшается расход энергии, большая часть которой в чипах рассеивается в виде тепла. Немаловажно также и резкое ускорение передачи и обработки информации, особенно если учесть нанометровые размеры мемристоров. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Журнал пишет, что предложенные устройства имели основой оксиды металлов и обеспечивали движение ионов кислорода.

Другой хороший источник электронов – светопоглощающий гексагональный нитрид пора (HBN). Он имеет ту же 2D-структуру, что и графен. Нитрид бора использовали в университете Пурдью (США). Монослойную полоску, на которую действовали микроволновым излучением, положили на золотую подложку, после чего осветили лазером. Нитрид бора и золото поглощали свет. При этом в благородном металле генерировалась плазмонная волна «объединившихся» электронов. Это усиливало квантовую чувствительность, чему способствовало и приложенное внешнее магнитное поле.

Пока такие нанометровые тонкопленочные сенсоры не выходят за пределы лабораторий. Но тем не менее миниатюризация позволила сотрудникам Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе создать портативный электрохимический биосенсор. Наклеиваемый на кожу плеча, запаянный в пластик сенсор анализирует состав выделяемого человеком пота, определяет в нем аминокислоты. Это позволяет в режиме реального времени осуществлять мониторинг метаболизма и передавать информацию на компьютер. У диабетиков или сердечников при этом резко снижается риск развития метаболического синдрома. Ведь появляется возможность корректировать состояние человека с помощью вводимых или потребляемых метаболитов с большой точностью.


Читайте также


Номенклатура следующего хозяина Белого дома будет антикитайской

Номенклатура следующего хозяина Белого дома будет антикитайской

Владимир Скосырев

Проводниками внешней политики, вероятно, станут чиновники, считающие  КНР угрозой для США

0
399
Ни у кого нет полной картины рынка труда. Даже у ЦБ

Ни у кого нет полной картины рынка труда. Даже у ЦБ

Анастасия Башкатова

Центробанк усомнился в данных рекрутинговых компаний

0
441
Картофель россиянам привезут из дружественных стран

Картофель россиянам привезут из дружественных стран

Ольга Соловьева

Кабмин выделит 30 миллиардов рублей на субсидирование льготных кредитов для аграриев

0
489
Оправдательных приговоров по-прежнему четверть процента

Оправдательных приговоров по-прежнему четверть процента

Екатерина Трифонова

Обвинительный уклон обусловлен требованием стабильности судебных решений

0
403

Другие новости