Инженеры из Северо-Западного университета (США) совершили прорыв, создав печатные искусственные нейроны, которые могут напрямую взаимодействовать с настоящими клетками мозга. Эти гибкие и недорогие устройства генерируют электрические сигналы, почти неотличимые от сигналов живых нейронов, и в экспериментах успешно активировали ткани мозга мыши. Эта технология открывает путь к созданию совершенных нейропротезов для восстановления зрения, слуха или двигательных функций, а также к принципиально новым энергоэффективным вычислительным системам. В современной медицине уже применяются различные типы нейропротезов, такие как кохлеарные импланты для восстановления слуха, зрительные протезы и двигательные протезы для конечностей, управляемые сигналами мозга. Их эффективность варьируется: кохлеарные импланты считаются наиболее успешными, в то время как другие типы всё ещё находятся в стадии активного развития.
Разработка стала ответом на одну из главных проблем современной технологической отрасли — колоссальное энергопотребление. Мозг является самой энергоэффективной вычислительной системой в природе, превосходя цифровые компьютеры в десятки тысяч раз. По словам руководителя исследования Марка Херсама, мир сегодня зависит от искусственного интеллекта, но для его обучения требуются огромные объемы данных и, как следствие, гигантские затраты энергии. Поэтому логично искать вдохновение для следующего поколения «железа» в устройстве мозга.
В отличие от современных компьютеров, где миллиарды одинаковых транзисторов жестко зафиксированы на кремниевой пластине, мозг — это мягкая, трехмерная и постоянно меняющаяся сеть из множества типов специализированных нейронов. Чтобы приблизиться к этой модели, команда Херсама использовала мягкие, пригодные для печати материалы. Они создали электронные чернила из наночастиц дисульфида молибдена и графена, которые с помощью аэрозольной струйной печати наносились на гибкую полимерную поверхность. Этот процесс, известный как аддитивная печать, принципиально отличается от традиционных методов производства электроники. В отличие от субтрактивных методов, где материал удаляется из заготовки, аддитивная печать создает объекты послойным наращиванием, что позволяет минимизировать отходы и быстрее создавать прототипы.
Ключевой особенностью новых искусственных нейронов стала их способность генерировать не примитивные, а сложные сигналы, точно имитирующие естественную нейронную активность: одиночные импульсы, непрерывные разряды и групповые всплески. Благодаря этому для выполнения сложных задач потребуется гораздо меньше таких устройств, что напрямую ведет к повышению общей энергоэффективности будущих систем.
Самым убедительным доказательством успеха стал биологический эксперимент. В сотрудничестве с нейробиологом Индирой Раман исследователи применили сигналы от искусственных нейронов к срезам мозжечка мыши. Электрические импульсы по ключевым параметрам — времени и длительности — совпали с биологическими и надежно активировали настоящие нейроны, запуская нейронные цепи так же, как это происходит в живом мозге. Ранее другим группам не удавалось добиться такого прямого взаимодействия из-за несоответствия временных характеристик сигналов.
Новая технология не только эффективна, но и практична с точки зрения производства и экологии. Процесс изготовления прост, дешев и использует аддитивную печать, которая наносит материал только в нужных местах, минимизируя отходы. Повышение энергоэффективности становится критически важным, учитывая, что для питания и охлаждения современных центров обработки данных ИИ уже требуются гигаватты энергии и огромные объемы воды. Как отмечает Херсам, технологические гиганты строят гигаваттные центры обработки данных, для которых строят отдельные атомные электростанции, но такое гигантское потребление ограничивает возможности масштабирования и создает нагрузку на ресурсы, подчеркивая острую необходимость в новом, «умном» аппаратном обеспечении.
Источник: Artificial neurons successfully communicate with living brain cells