Ένα επίτευγμα που μοιάζει να φέρνει πιο κοντά την ένωση τεχνολογίας και βιολογίας. Ερευνητές του University of Massachusetts Amherst παρουσίασαν έναν τεχνητό νευρώνα που λειτουργεί σχεδόν ακριβώς όπως ο πραγματικός. Πρόκειται για ένα βήμα που θα μπορούσε να επηρεάσει όχι μόνο την ιατρική και τις νευροεπιστήμες, αλλά και την ίδια τη φιλοσοφία της πληροφορικής, ανοίγοντας τον δρόμο για έναν πιο φυσικό συνδυασμό ηλεκτρονικών συστημάτων και βιολογικών διεργασιών.
Οι νευρώνες είναι η θεμελιώδης μονάδα του εγκεφάλου. Μέσα από περίπλοκες ηλεκτρικές και χημικές αλληλεπιδράσεις, συντονίζουν σκέψεις, συναισθήματα και κινήσεις. Η επιστήμη εδώ και χρόνια επιχειρεί να αναπαράγει τη λειτουργία τους, ακριβώς επειδή η αποτελεσματικότητα και η ενεργειακή οικονομία τους ξεπερνούν κάθε ανθρώπινη κατασκευή. Τώρα, οι μηχανικοί του UMass Amherst δεν αρκέστηκαν σε μια απλή μίμηση, καθώς δημιούργησαν ένα σύστημα που ταιριάζει σε μέγεθος, κατανάλωση ενέργειας και ανταπόκριση στα ερεθίσματα με τον φυσικό νευρώνα.
Ο Shuai Fu, μεταπτυχιακός φοιτητής ηλεκτρολόγος μηχανικός και επικεφαλής της μελέτης, εξηγεί: «Ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται τεράστιες ποσότητες δεδομένων με απειροελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Αντίθετα, για να τροφοδοτηθεί ένα μεγάλο γλωσσικό μοντέλο, όπως το ChatGPT, απαιτούνται ασύλληπτες ποσότητες ηλεκτρισμού». Αυτή η διαφορά αποτέλεσε το κίνητρο για την ομάδα του πανεπιστημίου.
Πρωταρχικό ρόλο για το επίτευγμα έπαιξε ένα ειδικό memristor – ένας «αντιστάτης μνήμης» – που δημιουργήθηκε με αγώγιμα νανοσύρματα από το μικρόβιο Geobacter sulfurreducens. Χάρη σε αυτόν τον οργανισμό, οι επιστήμονες κατάφεραν να μειώσουν δραστικά την απαιτούμενη τάση για τη λειτουργία του συστήματος, φθάνοντας σε επίπεδα που πλησιάζουν τους βιολογικούς νευρώνες: περίπου 60 mV και 1,7 nA.
«Οι προηγούμενες εκδοχές τεχνητών νευρώνων απαιτούσαν έως και 100 φορές περισσότερη ισχύ», δήλωσε ο Jun Yao, αναπληρωτής καθηγητής ηλεκτρολόγος μηχανικός και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Η δική μας σχεδίαση λειτουργεί με μόλις 0,1 βολτ – περίπου το ίδιο με τους νευρώνες του σώματός μας».
Η ομάδα ενσωμάτωσε το memristor σε ένα κύκλωμα αντιστάτη-πυκνωτή (RC), προσομοιώνοντας όλες τις φάσεις της νευρωνικής δραστηριότητας: από τη συσσώρευση φορτίου πριν την εκφόρτιση, έως την απότομη αποπόλωση και την περίοδο ανάπαυσης. Ακόμη και η «ανερέθιστη περίοδος» – το μικρό διάστημα παύσης που ακολουθεί ένα σήμα – αναπαράχθηκε με ακρίβεια.
Το επόμενο βήμα ήταν η προσθήκη χημικών αισθητήρων. Έτσι, το τεχνητό κύτταρο απέκτησε τη δυνατότητα να ανιχνεύει ιόντα, όπως το νάτριο, και νευροδιαβιβαστές, όπως η ντοπαμίνη. Αυτή η δυνατότητα νευροτροποποίησης επιτρέπει στο σύστημα να προσαρμόζει τη συμπεριφορά του, ακριβώς όπως οι πραγματικοί νευρώνες που αλλάζουν λειτουργία ανάλογα με το χημικό τους περιβάλλον.
Η πιο εντυπωσιακή επίδειξη έγινε όταν οι ερευνητές συνέδεσαν τον τεχνητό νευρώνα με ζωντανά ανθρώπινα καρδιομυοκύτταρα – κύτταρα της καρδιάς που χτυπούν. Ο νευρώνας όχι μόνο «διάβασε» τα σήματα της καρδιάς, αλλά και αντέδρασε σε αλλαγές που προκάλεσαν οι επιστήμονες με τη χορήγηση νορεπινεφρίνης, μιας ουσίας που επηρεάζει τον καρδιακό ρυθμό.
«Σήμερα διαθέτουμε πληθώρα φορητών αισθητήρων που καταγράφουν σήματα του σώματος, αλλά χρειάζονται περίπλοκα κυκλώματα ενίσχυσης για να τα αναλύσουν οι υπολογιστές», σημείωσε ο Yao. «Με τους χαμηλής τάσης τεχνητούς νευρώνες, δεν χρειάζεται κανένα ενδιάμεσο στάδιο ενίσχυσης. Αυτό σημαίνει απλούστερα, οικονομικότερα και πιο αποδοτικά συστήματα».
Παρά τον ενθουσιασμό, οι επιστήμονες ξεκαθαρίζουν ότι πρόκειται ακόμη για πρωτότυπο σε πειραματικό στάδιο, που δοκιμάστηκε μόνο σε ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον. Ωστόσο, η προοπτική είναι συναρπαστική: από την αποκατάσταση κατεστραμμένων νευρικών κυκλωμάτων και την ενίσχυση των διεπαφών εγκεφάλου-μηχανής, μέχρι τη δημιουργία νέων βιοηλεκτρονικών αισθητήρων που θα παρακολουθούν την υγεία κυττάρων και τις επιδράσεις φαρμάκων σε πραγματικό χρόνο.
Επειδή καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια και λειτουργούν σε φυσιολογικά επίπεδα σημάτων, οι τεχνητοί νευρώνες αυτοί θα μπορούσαν να αποτελέσουν το υπόβαθρο για νέα, αποδοτικότερα συστήματα πληροφορικής εμπνευσμένα από τον εγκέφαλο. Αν αυτή η τεχνολογία ωριμάσει, η συνάντηση της βιολογίας με τα ηλεκτρονικά ίσως αποδειχθεί πολύ πιο φυσική και αρμονική από ό,τι φανταζόμασταν.
[via]
