Передачу информации в мозге удалось воссоздать с помощью электронных нейронов
Биологический мозг, особенно мозг человека, представляет собой удивительную вычислительную систему, которая потребляет очень мало энергии и работает с высокой эффективностью. Чтобы построить столь же хорошую вычислительную систему, многие ученые сосредотачивают усилия на разработке аппаратных компонентов, предназначенных для имитации нейронов мозга — нейроморфных процессоров.
Исследовательская группа подошла к этой цели под другим углом, вместо имитации нейронов ученые сосредоточились на передаче информации в мозге. Их метод прошел биологические и цифровые эксперименты, и доказал свою эффективность в электронной нейроморфной системе.
Хотя электронные системы не полностью воспроизвели сложную передачу информации между нейронами, команда продемонстрировала, что можно преобразовать биологические цепи в электронные, сохраняя при этом объем передаваемой информации. «Это представляет собой ключевой шаг к созданию искусственных систем с низким энергопотреблением, основанных на структуре мозга», — отмечают авторы.
Как строили электронный мозг
Чтобы оценить эффективность передачи информации, команда использовала теорию информации. Ученые оценили количество информации, которую переда синапсы нейронам, а затем проверили сколько взаимосвязь между входными стимулами и реакциями нейронов.
Сначала команда провела эксперименты с биологическими нейронами. Ученые использовали срезы мозга крыс, записывая и анализируя биологические цепи гранулярных клетках мозжечка. Затем они оценили информацию, передаваемую через синапсы от мшистых волокон — главного источника информации, поступающей в мозжечок, к гранулярным клеткам мозжечка.
Мшистые волокна периодически стимулировали электрическими импульсами, чтобы вызвать синаптическую пластичность — фундаментальную биологическую особенность, при которой передача информации в синапсах постоянно усиливается или ослабляется при повторяющейся активности нейронов.
Результаты показывают, что изменения обмена информацией во многом согласуются с изменениями, вызванными синаптической пластичностью. Результаты моделирования на электронных нейроморфных моделях в основном согласуются с биологическими моделями..
Команда провела эксперименты с цифровыми моделями нейронов. Они применили модель искусственной нейронной сети. Ученые использовали импульсные нейронные сети, которые созданы на основе функционирования биологических нейронов и считаются многообещающим подходом для достижения эффективных нейроморфных вычислений.
В модели четыре мшистых волокна соединили с одной гранулярной клеткой мозжечка, и каждому соединению присваивается случайный вес, который влияет на эффективность передачи информации, подобно тому, как синаптическая пластичность влияет на биологические цепи. В ходе экспериментов команда применила восемь шаблонов стимуляции ко всем мшистым волокнам и записала ответы, чтобы оценить передачу информации в искусственной нейронной сети.
В заключении команда провела эксперименты с электронными нейронами. Использовалась установка, аналогичная установкам биологического и имитационного экспериментов. Полупроводниковое устройство функционировало как нейрон, а четыре специализированных мемристора функционировали как синапсы.
Команда применила 20 последовательностей импульсов, чтобы уменьшить значения сопротивления, а затем применила еще 20, чтобы их увеличить. Изменение значений сопротивления оценили с точки зрения эффективности передачи информации внутри нейроморфной системы.
Помимо проверки количества информации, передаваемой биологическими, смоделированными и электронными нейронами, команда также подчеркнула важность синхронизации импульсов, которая, как они заметили, тесно связана с передачей информации. Это наблюдение может повлиять на развитие нейроморфных вычислений.