Искусственный нейрон, который говорит с мозгом: прорыв в нано-печати

Инженеры напечатали крошечные искусственные нейроны, способные «разговаривать» с клетками мозга мыши, и это открытие может проложить путь к инновациям в вычислительной технике и медицине.

Работа, опубликованная 15 апреля в журнале Nature Nanotechnology, дополняет растущую область исследований, стремящихся создать компьютеры, имитирующие внутреннюю работу мозга.

Надежда заключается в том, что лучшие искусственные нейроны приведут к созданию «нейроморфных компьютеров» — нового типа вычислительных систем, которые могут значительно повысить энергоэффективность искусственного интеллекта (ИИ).

«Мы пытаемся имитировать мозг настолько точно, насколько это возможно, — рассказал Live Science соавтор исследования Марк Хершем, профессор материаловедения и инжиниринга Северо-Западного университета. — Нас мотивирует желание создать альтернативу обычным цифровым вычислениям, чтобы обрабатывать большие объёмы данных более энергоэффективным способом».

Эта работа также может привести к созданию новых интерфейсов «мозг-компьютер», которые позволяют управлять электронными устройствами с помощью мозговой активности. Такие интерфейсы можно использовать, например, для управления протезами конечностей или вспомогательными коммуникационными устройствами.

Поскольку нейроморфные компьютеры созданы для имитации мозга, они должны быть хорошо приспособлены для взаимодействия с мозговой тканью. Кроме того, некоторые учёные предположили, что искусственные нейроны могли бы заменить повреждённые нервные клетки или восстановить утраченные функции мозга при дегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера.

Мозг в миниатюре: почему обычные чипы не подходят

Для воссоздания мозговой ткани нельзя использовать традиционные кремниевые чипы, которые жестки и состоят из повторяющихся транзисторов, расположенных в двумерных структурах. У них фиксированные связи, которые не могут развиваться.

Это резко контрастирует с деликатной инфраструктурой мозга. Клетки мозга физически гибки, различаются в зависимости от своего расположения и общаются в трёхмерной матрице, которая меняется со временем. Связи между нейронами могут усиливаться при постоянном использовании или ослабевать, если используются редко. Все эти свойства необходимы для создания сложных процессоров, которые постоянно осмысливают сложный мир вокруг нас.

Из-за этих различий между мозгом и машиной большинство интерфейсов «мозг-компьютер» не могут идеально вписаться в мозг; вместо этого они полагаются на относительно грубые импульсы для общения с нейронами. Создание эффективных искусственных нейронов означает поиск материалов, которые ощущаются и действуют как нейроны, то есть имитируют характерные паттерны их разрядов и регулируют эти сигналы по мере необходимости.

Искусственные нейроны, созданные до этого нового исследования, обычно используют либо мягкие органические материалы (например, гели или ткани, которые могут передавать электрические и химические сигналы), либо твёрдые оксиды металлов. У каждого подхода есть недостатки: мягкие материалы генерируют импульсы слишком медленно, а твёрдые — слишком быстро, объяснил Хершем.

Как напечатали «говорящий» нейрон

Чтобы лучше воспроизвести работу нейронов, Хершем и его команда использовали печатные чернила, смешанные с крошечными хлопьями дисульфида молибдена (неорганического соединения, которое действует как полупроводник) и графена (электрического проводника). Чернила наносятся на гибкую полимерную подложку.

Исторически такие подложки считались помехой, потому что полимеры мешают электрическим токам. Но, как обнаружили Хершем и его коллеги, это может быть преимуществом для искусственных нейронов: команда выяснила, что полимерами можно управлять, чтобы контролировать поток электричества через созданную в лаборатории клетку мозга.

«Ключевым новшеством стало частичное разложение полимера», — сказал Хершем.

Тщательно регулируя нагрев и распад полимера, инженеры могут создавать крошечные энергетические нити. Вместо того чтобы увеличиваться равномерно, ток, проходящий через нейрон, возрастает, а затем падает, что позволяет внезапно высвободить энергию — подобно разряду настоящего нейрона. Это действие называется «отрицательным дифференциальным сопротивлением с возвратом» (snap-back negative differential resistance).

И, настраивая параметры устройства, команда смогла генерировать более сложные паттерны сигналов, включая серию импульсов, распределённых во времени, или внезапные всплески. «Мы можем достичь всех типов импульсных реакций, которые имитируют биологию», — сказал Хершем.

Чтобы доказать это, учёные поместили свои искусственные нейроны в лабораторную чашку рядом со срезами мышиного мозга. Они обнаружили, что мышиные нейроны разряжались с той же частотой, что и искусственные, что позволяет предположить: ткань может декодировать искусственный сигнал так, как если бы он исходил от настоящей ткани.

Искусственные нейроны будущего

Тимоте Леви, профессор биоэлектроники, работающий над искусственными нейронами в Университете Бордо (Франция), высоко оценил новый тип искусственного нейрона, отметив, что он может «соответствовать нормальной частоте нейронов».

Леви, который не участвовал в исследовании, сказал, что эта работа дополняет серию недавних исследований, показывающих, что искусственные нейроны могут общаться с биологическими. Эти разработки разворачиваются наряду со множеством достижений, улучшающих то, как искусственные нейроны создаются, как они соединяются друг с другом и как программируются, добавил Леви.

Однако он подчеркнул, что искусственные нейроны всё ещё далеки от полноценного общения с биологическими нейронами в сколько-нибудь значительной степени. «Мы можем контролировать их непродолжительное время, но пока не в течение долгого периода», — сказал он, поэтому они, например, ещё не пригодны для постоянного добавления в человеческий мозг.

Леви и Хершем отметили, что предстоит ещё много работы по пониманию того, как работает мозг, чтобы компьютер мог его точно воспроизвести. Более того, одних искусственных нейронов недостаточно — необходимо соединить их вместе через искусственные синапсы.

«Главная проблема на переднем крае науки, — сказал Хершем, — заключается в том, что у нас есть ряд устройств, которые имитируют различные элементы мозга, но нам нужно объединить их в схемы для достижения полной функциональности».

Что дальше? Путь от нейрона к нейроморфному компьютеру

Несмотря на впечатляющий прорыв, путь до создания полноценного нейроморфного компьютера или имплантируемого искусственного нейрона для человека ещё долог. Одна из главных проблем — масштабирование. В текущем эксперименте учёные продемонстрировали работу единичных искусственных нейронов и их взаимодействие с небольшой группой биологических клеток в чашке Петри. Для создания полноценного аналога даже крошечного участка коры мозга потребуются миллиарды таких нейронов, интегрированных в сложные сети.

«Современная микроэлектроника не готова к такому типу гибких, неупорядоченных и самонастраивающихся соединений, — поясняет Хершем. — Нам нужны не только новые компоненты, но и новая архитектура компьютеров — возможно, трёхмерная, как в самом мозге».

Вторая проблема — это долговременная стабильность. Полимерные подложки и напечатанные структуры, хотя и гибкие, могут деградировать в биологической среде или при длительной работе. Исследователи ищут способы защитить искусственные нейроны, не нарушая их способность общаться с живыми тканями. Одно из перспективных направлений — покрытие нейронов специальными биосовместимыми гидрогелями, которые пропускают электрические сигналы, но замедляют химическое разложение.

Третья проблема — обучение и пластичность. Настоящие нейроны меняют силу своих связей (синапсов) в зависимости от опыта. Искусственные нейроны Хершема уже могут генерировать сложные паттерны, однако механизм, который бы позволял им «запоминать» и «забывать» информацию на основе внешних стимулов — то есть обучаться прямо в процессе работы, — пока не реализован. Некоторые лаборатории уже разрабатывают «мемристивные» синапсы, сопротивление которых меняется в зависимости от прошедшего через них тока, но их интеграция с новыми напечатанными нейронами — задача будущего.

Медицинские перспективы: замена повреждённых нейронов

Если все эти препятствия удастся преодолеть, то открываются захватывающие возможности для регенеративной медицины. Представьте себе имплант из напечатанных искусственных нейронов, который может заменить участок мозга, разрушенный инсультом, или восстановить работу спинного мозга после травмы. Или «умный» нейростимулятор при болезни Паркинсона, который не просто подавляет патологические сигналы грубыми разрядами, а интегрируется в нейронные сети, имитируя естественные паттерны активности.

«Мы всё ещё очень далеки от этого, — предупреждает профессор Леви. — Но это исследование дало нам недостающий элемент головоломки: искусственный нейрон, чья «речь» понятна биологическим нейронам. Теперь нужно научить их слушать и отвечать на протяжении многих лет, а не минут».

Параллельно инженеры работают над удешевлением и упрощением печати таких нейронов. Технология струйной печати с использованием наночернил, которую применила команда Хершема, уже сейчас позволяет создавать небольшие партии устройств в обычной лаборатории. В будущем это может привести к персонализированной нейромедицине: нейроны с заданными свойствами будут «распечатываться» под конкретного пациента и конкретную задачу — будь то управление протезом руки или восстановление памяти.

Пока же учёные сосредоточены на следующем этапе: создании простейшей нейроморфной схемы, состоящей из нескольких десятков напечатанных нейронов, соединённых синапсами. Если она сможет выполнять базовые вычислительные задачи — например, распознавать простые паттерны или запоминать последовательности сигналов, — то первые практические приложения могут появиться уже в ближайшее десятилетие. И тогда компьютеры, которые думают как мозг, перестанут быть научной фантастикой.