Перепрограммирование нейронов.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 5Следующая ⇒

Известны ли, на данный момент, экспериментально подтвержденные научные факты «перепрограммирования» нейронов мозга, под действием света? Да, известны, по недавно опубликованной работе ученых из Массачусетского технологического института. Им удалось перепрограммировать нейронную сеть в мозге мышей, выявив механизмы, лежащие в основе нейропластичности. Исследователи осуществили перепрограммирование отдельных нейронов в первичной зрительной коре у бодрствующих мышей. Грызунам провели вскрытие черепа, после чего, в интересующий нейрон, был введен ген флуоресцирующего белка GCaMP₆, который начинает испускать свет при прохождении через клетку импульса. Это было необходимо для визуализации изменений, происходящих в клетке. Кроме того, в некоторые нервные клетки по соседству был внедрен ген CHR2, кодирующий белок родопсин, вызывающий возбуждение нейронов в ответ на прямое облучение светом. Изменения в нейроне отслеживали с помощью двухфотонной микроскопии. Через пять дней после операции грызунам, у которых в ходе эксперимента была зафиксирована голова, демонстрировали серый экран с белым квадратом, появляющимся на одну секунду в случайных точках. При этом, в определенные моменты белый квадрат попадал в точку (мишень), которая была смещена немного в сторону от «поля зрения» нейрона с флуоресцирующим белком, но «воспринималась» некоторыми другими нейронами, по соседству с ним. В тот момент, когда квадрат совпадал с мишенью, происходила световая стимуляция «воспринимающих» его нейронов. В результате, у нейрона с GCaMP₆ наблюдалось увеличение размеров дендритных шипиков, образующих синаптические соединения с этими клетками. Это позволяло сместить его «поле зрения» на мишень. Одновременно, с этим уменьшались шипики, соединяющие нейрон с клетками, не участвующими в проведении зрительного сигнала. Таким образом, осуществлялось перепрограммирование небольшой нервной сети. Ученые также зафиксировали изменения в активности белковых рецепторов AMPA, которая коррелировала с усилением и ослаблением связей. По словам исследователей, им впервые удалось перепрограммировать отдельные нейроны в мозге живого существа, и наблюдать за молекулярными механизмами, лежащими в основе нейропластичности. Статья с результатами работы опубликована в журнале Science.[66]

Биодеградирующие импланты.

А что, если что-то пойдет не так? И нанонейроимплант - перестанет работать в штатном режиме: станет неисправным, попадет не в назначенное место, или необходимость в нем со временем исчезнет, и т.п.? Как, без хирургического вмешательства, безопасно и безболезненно для организма, устранить последствия такого воздействия? Для этого разрабатываются технологии самоуничтожения имплантов. Например, их можно сделать растворимыми.

Американские ученые из Стэнфордского университета разработали биосовместимое имплантируемое устройство, для измерения растяжения и давления, а после заданного времени оно способно раствориться в организме. Оно состоит из нескольких слоев, которые вместе образуют два датчика. Два слоя с магниевыми электродами, изолированными полимерными слоями, могут перемещаться относительно друг друга, тем самым менять емкость, и показывать растяжение. Другая часть слоев образует емкостной датчик давления. Он состоит из двух электродов, разделенных хорошо сжимаемым слоем диэлектрика. При сжатии датчика, расстояние между электродами уменьшается, что приводит к изменению емкости, которую также можно измерить. Снаружи датчик покрыт биодеградабельным полимером. Ученые провели испытания биосовместимости устройства на крысах. Они наблюдали воспалительную реакцию в месте имплантации только в течение первой недели, а в последующие семь недель она уже не наблюдалась. Стоит отметить, что пока у разработки ученых есть важный недостаток — растворимо и биосовместимо только само устройство, но снимать показания с него приходится с помощью отдельных электродов. В будущем, авторы собираются разработать полностью биодеградабельную систему беспроводной передачи собираемых данных. Благодаря такой способности не потребуется хирургического вмешательства, рассказывают разработчики в журнале Nature Electronics.[67]

Биодеградирующими могут быть и более сложные нейроимпланты, например, искусственные нейроны на базе мемристоров. Мемристоры - это электронные приборы, имеющие два электрода, которые не только ограничивают проходящий через них ток, как обычные резисторы, но и запоминают в виде своего сопротивления силу проходившего ранее через них тока. Таким образом, мемристоры являются подходящими кандидатами на использование их в качестве базовых компонентов для построения нейроморфных чипов, имплантатов, контролирующих функционирование различных органов организма человека, или средств доставки лекарственные препараты прямо к месту назначения.

Группа исследователей, в состав которой вошли исследователи из нескольких китайских университетов, и нескольких университетов из Великобритании, разработали структуру и изготовили опытные образцы электронных устройств-мемристоров, которые состоят из органического белка и небольшого количества магния и вольфрама. Большое значение в данном случае имеет растворимость компонентов, что позволяет очень просто удалить и вывести из организма внедренные ранее устройства, выполнившие свою функцию. Для создания биологически совместимого и растворимого мемристора, исследователи использовали яичный белок, - известную всем, прозрачную вязкую жидкость, находящуюся внутри куриного яйца. Путем высушивания, из белковой жидкости была сформирована тончайшая пленка, которая использовалась в качестве диэлектрика интегральной схемы. Нанесенные поверх этой пленки магниевые и вольфрамовые электроды, выполненные в виде решетки 4 на 4, превращают это все в ячейку мемристора, с достаточно неплохими характеристиками. Полученные таким образом мемристоры работают при электрическом потенциале до 1 Вольта, соотношение состояния их высокого и низкого сопротивления составляет 100 к 1. Опытные образцы органических мемристоров сохраняли свое состояние в течение нескольких часов, без каких-либо признаков потери хранимой в них информации. А принцип их работы весьма подобен процессу деградации литиевых аккумуляторных батарей, и он заключается в формировании или разрушении металлических нанонитей, пронзающих слой диэлектрика, и влияющих на электрическую проводимость. В сухих условиях органические мемристоры работали более трех месяцев, но стоило только открыть доступ к ним влаге, как их органическая составляющая растворялась приблизительно за 10 часов, а оставшаяся часть растворялась за последующие 72 часа, практически не оставляя никаких следов. Статья опубликована в ACS.[68]^,[69]

Нейромемристоры.

Каким же образом мемристоры могут служить элементной базой для создания искусственных нейронов, и нейроморфных чипов на их основе? Мемристоры и нанопроводники уже некоторое время фигурируют, как одни из перспективных направлений в создании нейронных сетей и искусственного интеллекта. Исследователи уже использовали нанопроводники для создания электрических цепей, сверху которых могут быть выращены искусственные нервные ткани, что позволяет объединить нервные клетки с электроникой. А мемристоры уже достаточно давно рассматриваются, как базовый элемент для создания чипов, на основе которых могут быть созданы системы искусственного интеллекта.

Так, ранее (2013) сообщалось о работах учёных из Исследовательского центра адаптивных наноустройств и наноструктур (Centre for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices, CRANN) из Тринити-Колледжа в Дублине, которые занимаются поиском новых принципов построения нейронных сетей, в основе которых лежит использование наноматериалов, нанопроводников и мемристоров. Целью этого проекта, который уже получил грант в размере 2.5 миллиона евро от Европейского Научного совета (European Research Council, ERC), является разработка новых вычислительных принципов и парадигм, которые подражают работе нейронных сетей головного мозга высокоразвитых существ. Профессор Джон Болэнд (John Boland), директор центра CRANN, и его коллеги, нацелены на начало новых исследований, в основе которых будет лежать опыт и данные, полученные во время предыдущих исследований. Во время этих предыдущих исследований ученым удалось выяснить, что электричество, равно как и другие виды сигналов, световые или химические, приложенные к сети нанопроводников, организованной случайным образом, приводят к проявлению некоторых явлений в определенных местах, там, где нанопроводники пересекались друг с другом. Вышеописанное явление подобно тем процессам, которые происходят при работе мозга, в котором есть пучки нервов, формирующие соединения в местах пересечения друг с другом. И это именно то место, где необходимо использовать мемристоры, способные запоминать свое состояние после того, как через них прошел электрический сигнал. Такие самообучающиеся нейронные сети, созданные на основе нанопроводников и мемристоров, по мнению исследователей из центра CRANN, могут найти широкое применение в процессорах, способных решать ряд узких специализированных задач, решение которых обычными методами требует большого количества вычислений и высокой вычислительной мощности. В качестве примера такой задачи «искусственного интеллекта», можно привести задачу распознавания лиц, задачу, которую мозг выполняет практически моментально, а ее решение математическим способом требует значительных затрат вычислительной мощности.[70]

Недавно (2015) сообщалось, что исследователи из Королевского технологического института в Мельбурне (Royal Melbourne Institute of Technology, RMIT), Австралия, продолжая начатую ими ранее работу, разработали новый вид мемристоров, на базе которых были созданы тонкопленочные устройства сверхскоростной аналоговой памяти, ячейки которой могут принимать очень большое количество значений. И эти мемристоры, работа которых весьма эффективно подражает работе нейронов, позволят создать чипы, способные одновременно обрабатывать и сохранять многочисленные независимые потоки данных так, как это делает мозг человека. «Наше достижение имеет важное значение, ведь оно позволяет создать ячейки памяти, способной принимать одно из большого количества состояний и обрабатывать информацию способом, каким это делают нейроны головного мозга», - рассказывает доктор Хуссейн Нили (Dr. Hussein Nili), - «Введенные нами в материал мемристора искусственные дефекты, на основе частичек окисных соединений других металлов, позволяют открыть полный потенциал мемристора. Теперь поведение этого электронного компонента также зависит не только от текущего состояния, но и от его прошлых состояний, т.е. матрица таких элементов в своей работе может учитывать полученный ранее опыт». Все вышесказанное выходит за рамки понятия привычной нам цифровой памяти компьютера, которая может хранить данные, представленные в виде единиц и нулей. На основе сложных сетей мемристоров нового типа, в будущем, можно будет создать системы «искусственного интеллекта», которые, за счет малых размеров ячеек памяти, можно будет поместить в объем, сопоставимый с объемом мозга человека. Кроме этого, считает доктор Хуссейн Нили, в будущем, на основе подобных мемристоров, можно будет создать устройства, на которые можно будет переписать, в случае такой необходимости, сознание человека полностью. Статья опубликована в Advanced Functional Materials.[71]^,[72]

В следующем году (2016), был разработан нейроподобный «забывающий мемристор». В рамках нового проекта, который реализуется объединенными усилиями нескольких компаний и организаций, включая Hewlett Packard Enterprise, и даже ВВС США, удалось разработать мемристор, который ведет себя, как нейрон. Инженеры компании Hewlett-Packard, в лабораториях которой ещё в 2008 году были созданы первые мемристоры, заметили, что свойства мемристоров подобны свойствам синаптических связей, которые усиливаются по мере их использования в процессе формирования воспоминаний. Синаптические связи между нейронами мозга могут усиливаться или ослабляться при помощи миграции ионов кальция через клеточную мембрану нейрона в ту или иную сторону. Именно высокая концентрация ионов кальция отвечает за "силу" синаптической связи и это свойство нервных тканей очень хорошо моделируется при помощи мемристора. Но, как обнаружили ученые, для качественной имитации синаптической связи недостаточно одного мемристора, они использовали два таких устройства, включенные последовательно. При этом, использованный учеными мемристор был не совсем обычными, он относился к классу диффузионных мемристоров (diffusive memristor), атомы резистивного материала которых способны перемещаться и без приложенного к ним электрического напряжения. В качестве этого материала выступала тонкая пленка диэлектрического материала с заключенными в ней серебряными наночастицами, которая была зажата между электродами из платины или золота. Именно эти наночастицы выполняли роль ионов кальция в экспериментах по моделированию синапсов. Исследуя движение наночастиц в слое резистивного материала, исследователи заметили поразительное сходство этого с тем, как ионы кальция выполняют свои функции в биологических системах. Импульс напряжения, приложенный к гибридному мемристорному устройству, привел к формированию «нити» из наночастиц, которая замыкает два электрода. После снятия напряжения эта нить, за счет спонтанного движения серебряных наночастиц, начинала постепенно разрушаться, что приводит к постепенному увеличению сопротивления мемристора. Вторым мемристором в цепочке гибридного устройства являлся более традиционный прибор, который способен сохранять свое сопротивление неизменным в течение длительного времени. Когда на гибридное устройство подавался импульс напряжения с определенными временными параметрами, этот искусственный синапс, за счет второго мемристора, формировал «длительную память». А если длительность импульса была недостаточной, то гибридный мемристор, через некоторое время, «забывал» о данном событии, что соответствует поведению синапса наиболее точным образом. Следующим шагом, который намерены предпринять ученые, станет объединение искусственный синапсов в нейроморфные цепи, которые будут копировать строение некоторые из нейронных сетей головного мозга, и тщательное изучение функционирования этих цепей. Статья опубликова в Nature Materials.[73]^,[74]

В этом году (2018), исследователи из университета Саутгемптона создали улучшенный вариант мемристора. Новый мемристор способен переключаться в любое из 128 стабильных состояний, что в четыре раза больше, чем аналогичные показатели любых других мемристоров, созданных ранее. Данная технология, после ее доведения до совершенства, может стать основой компьютерной памяти и нейроморфных процессоров следующего поколения. «Мемристоры являются ключевой технологией, предоставляющей возможности для создания чипов следующего поколения, подражающих принципам работы головного мозга», - пишут исследователи, - «И, для наилучшего подражания, эти чипы должны быть полностью реконфигурируемыми, масштабируемыми и максимально эффективными, насколько это возможно». Основой структуры новых мемристоров являются несколько металл-оксидных двойных барьерных слоев, каждый из которых имеет отличные от других слоев электрические характеристики. Совокупность этих нескольких слоев, вносящих свою долю в общую ионную проводимость устройства, и позволила расширить количество состояний одного мемристора до 128, что позволяет хранить в одной ячейке памяти, на базе такого мемристора, log₂(128) = 7 бит информации. Более того, со слов исследователей, мемристоры нового типа демонстрируют достаточно высокую стабильность, быстродействие и эффективность, т.е., для их функционирования требуется совсем незначительное количество энергии. В настоящее время, создано несколько опытных образцов мемристоров нового типа, характеристики которых из-за условий полукустарного производства, значительно отличаются от экземпляра к экземпляру, поэтому приводить сейчас какие-либо цифры совершенно бессмысленно. Но ученые считают, что разработка технологии промышленного производства, которая уже ведется в данное время, позволит увеличить повторяемость и уменьшить разброс характеристик отдельных устройств. Статья опубликована в Scientific Reports.[75]^,[76]^,[77]

Так же, в этом (2018) году, был создан нейроморфный гибрид мемристора и транзистора, который ученые из Северо-Западного Университета США (Northwestern University, Evanston, Illinois, USA) назвали «мемтранзистором», и работает оно, как нейрон мозга, одновременно выполняя операции с информацией и памятью. Сочетая в себе свойства мемристора и транзистора, мемтранзисторы состоят из терминалов, которые действуют наподобие нейронной сети. Для разработки мемтранзистора Марк Херсем (Mark C. Hersam), и его коллеги, использовали атомно тонкий дисульфид молибдена (MoS₂), с хорошо определенными границами зерен, что влияет на движение тока. Как волокна в древесине, атомы образуют организованные группы, или зерна. Под воздействием большого напряжения границы зерен создают атомное движение, вызывая изменение сопротивления. Благодаря тому, что MoS₂ состоит из одного слоя атомов, на него проще воздействовать электрическим полем. Это свойство позволило ученым создать транзистор, а свойства мемристора появились из-за относительно подвижных дефектов в материале. Но, в отличие от предыдущих мемристоров, которые состояли из отдельных небольших хлопьев MoS₂, мемтранзисторы Херсема сделаны из пленки поликристаллического MoS₂. Это упрощает их производство. «Когда длина устройства больше размера отдельного зерна, вы гарантированно получаете границу зерна в каждом устройстве на подложке», — говорит он. После изготовления мемтранзисторов ученые добавили к ним дополнительные электрические контакты. В обычных транзисторах по три терминала, но в изобретении Херсема их семь, один из которых управляет током в остальных шести, пишет Phys.org. «Это еще больше напоминает нейроны в мозге, — считает Херсем. — Как правило, в мозге не бывает такого, чтобы нейрон был соединен всего с одним нейроном. Один нейрон в мозге соединен со множеством других нейронов, образуя сеть. Структура нашего устройства позволяет создавать много контактов наподобие множеству синапсов у нейронов». Статья опубликована в PhisOrg.[78]^,[79]

Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 134; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!