Впервые исследователи смоделировали неврологические соединения, называемые синапсами, используя те же водные и солевые ингредиенты, которые использует мозг, внося свой вклад в новую область, сочетающую биологию с электроникой, под названием ионтроника. Исследование опубликовано в PNAS.
Команда из Утрехтского университета в Нидерландах и Университета Соганга в Южной Корее утверждает, что их вдохновило функционирование человеческого мозга, который также использует заряженные частицы, называемые ионами, растворенными в воде, для передачи сигналов внутри нейронов.
Важной особенностью способности мозга обрабатывать информацию является синаптическая пластичность, которая позволяет нейронам регулировать силу связей между ними в ответ на входную историю.
Названное ионтронным мемристором, устройство «запоминает», сколько электрического заряда ранее протекло через него, приближая нас к созданию искусственных систем, способных имитировать сверхспособности человеческого мозга.
«Это представляет собой решающий шаг вперед в направлении компьютеров, способных не только имитировать модели общения человеческого мозга, но и использовать ту же среду», — говорит Тим Камсма из Утрехтского университета.
Ионтронный мемристор, имеющий форму конуса с раствором воды и соли внутри, имеет размеры всего 150 на 200 микрометров — ширину примерно трех или четырех человеческих волос, расположенных рядом. Электрические импульсы заставляют ионы двигаться через конусообразный канал, при этом изменения электрического заряда приводят к изменениям в движении ионов. Изменение в том, как синапс проводит электричество, можно измерить и расшифровать, чтобы понять, каким был входной сигнал, представляющий собой своего рода память.
Это все еще очень ранняя стадия разработки устройства и ионтроники в целом. Тем не менее, то, как длина канала влияет на продолжительность сохранения памяти мемристором, уже предполагает, что каналы могут быть адаптированы для конкретных задач, так же, как они находятся в мозге. Физики также хотят увидеть, как эти синтетические синапсы можно комбинировать по-разному.
Поскольку производство новой конструкции относительно быстрое и дешевое, ее можно масштабировать для целого ряда будущих приложений.
«Хотя искусственные синапсы, способные обрабатывать сложную информацию, уже существуют на основе твердых материалов, теперь мы впервые показываем, что этого можно добиться и с помощью воды и соли», — говорит Камсма. «Мы эффективно воспроизводим поведение нейронов, используя систему, которая использует ту же среду, что и мозг».
Есть надежда, что, столь точно следуя плану, предоставленному мозгом, вместо того, чтобы полагаться на традиционные электрические процессы и компоненты, мы сможем приблизиться к возможностям и эффективности мозга с помощью наших собственных компьютеров.
Для исследователей это также яркий пример того, как теоретическая и экспериментальная физика могут быть объединены, чтобы открыть новые научные горизонты, давая команде «вау» момент, когда был создан искусственный синапс.
«Я подумал: вау!» — говорит Камсма. «Невероятно приятно наблюдать переход от теоретических предположений к реальным результатам, что в конечном итоге привело к этим прекрасным экспериментальным результатам».
