Журнал о технике

Рoссийскиe учёныe с Нижeгoрoдскoгo гoсудaрствeннoгo унивeрситeт им. Н.И. Лoбaчeвскoгo рaзрaбaтывaют искусствeнный гиппoкaмп нa oснoвe мeмристoрoв — oсoбыx aнaлoгoвыx устрoйств, имитирующиx рaбoту нeйрoнoв. Кaк рaсскaзaл в интeрвью RT aвтoр рaбoты, зaвeдующий лaбoрaтoриeй мeмристoрнoй нaнoэлeктрoники Нaучнo-oбрaзoвaтeльнoгo цeнтрa «Физикa твeрдoтeльныx нaнoструктур» ННГУ Aлeксeй Миxaйлoв, в будущeм тaкиe устрoйствa стaнут oснoвoй мнoжeствa тexничeскиx рeшeний, пoмoгут ускoрить рaбoту искусствeннoгo интeллeктa и дaжe, вoзмoжнo, смoгут (посту имплaнтaми учaсткoв гoлoвнoгo мoзгa. В свoю oчeрeдь, зaвeдующий кaфeдрoй нeйрoтexнoлoгий Институтa биoлoгии и биoмeдицины ННГУ Виктoр Кaзaнцeв oбъяснил в интeрвью RT, в нежели зaключaeтся фундaмeнтaльнoe oтличиe рaбoты мoзгa oт кoмпьютeрoв, a тaкжe рaсскaзaл oб oснoвныx нaпрaвлeнияx сoздaния биoкoмпьютeрoв в Рoссии и в мирe.

Зaвeдующий кaфeдрoй нeйрoтexнoлoгий Институтa биoлoгии и биoмeдицины ННГУ Виктoр Казанцев

— Викта Борисович, недавно учёные изо американского университета Джонса Хопкинса предложили основать биологический компьютер, основой которого должны случаться органоиды — принужденно выращенные клетки человеческого мозга. Расскажите, друг), что такое биокомпьютер? Какие основные концепции таких систем немедля разрабатываются в мире и в России?

— Начнём с терминологии: само прилагательное «биокомпьютер», которое используют СМИ, безлюдный (=малолюдный) вполне корректно. Для самом деле регулярный термин для этой области исследований (до поры) до времени не найден. Такие конструкции есть назвать нейротехнологическими устройствами.

Биологические клетки, в том числе нейроны, имеют целиком и полностью иную природу, нежели компьютер. Они малограмотный работают по принципу бинарной логики, нейроны никак не оперируют битами, они выдают электрические и химические сигналы — аналоговые, а далеко не цифровые.

Мы сейчас настолько привыкли к дигитальный среде, что нам считай, будто цифры постоянно были с человеком, только это не яко. Человеческий разум создал математику ни в коей мере недавно по меркам эволюции.

Возвращаясь к вопросу, скажу, что-нибудь исследования с живыми нейронами не долго думая ведутся очень энергично и в мире, и в России, в частности в ННГУ. Да мы с тобой работаем как с клетками мозга животных, просто так и с человеческими нейронами. Клетки высаживаются в пробирку, идеже для них поддерживается оптимальная питательная третий день недели. Важное отличие нейронов с других клеток заключается в фолиант, что они безлюдный (=малолюдный) делятся — сие усложняет нашу работу. Да они могут прозябать и устанавливать друг с другом новые лапа посредством синапсов (участки нейрона, отвечающие ради контакты с другими нервными клетками. — RT). В результате наш брат получаем в пробирке пример участка мозга, которая может проводить (молодость) несколько месяцев.

Получи и распишись практике такие клеточные культуры не откладывая активно используют рядом разработке фармпрепаратов. Сие очень удобно: впору сразу увидеть, равно как влияет на работу нейронов ведь или иное химическое фенилон.

Что же касается использования таких культур с целью нейротехнологий, то, при всем желании угодить моим критикам нейроны не предназначены в (видах вычислений, попробовать порекомендовать их этому разрешено. Мы проводили такие эксперименты, посчастливилось научить нейроны дистанционно быть во главе роботом посредством интернета. Сие было давно, вокруг десяти лет отдавать, тогда об этом писали в СМИ.

Так, конечно, говорить о серьёзных вычислительных системах в данном случае непросто, потому что в пробирке нейроны растут беспорядочно, во всех направлениях. В в таком случае время как в мозге нейроны организованы в чёткие структуры.

При всем при том сейчас в мире ведутся работы согласно формированию заданной клеточной архитектуры в пробирке с через вытравленной на подложке понцы микроканалов — микрофлюидных каналов. И ежели получится структурировать клеточную культуру, создать входной и выходной среда, то это сейчас напоминает те формальные, математические алгоритмы, которые применяются в компьютерных нейросетях. Как в данном случае работу будут производить не логические основы — единицы и нули, а живые клетки.

— Ваша сестра описали одну изо концепций условного биокомпьютера река нейротехнологического устройства. А какие (у)потреблять ещё направления?

— Без дальних разговоров развиваются три основных подхода. О первом я уж сказал — сие использование живых нейронов в целях выполнения каких-так задач в связке с техническими устройствами.

Дальнейший путь — сие когда вы разбираетесь в томишко, как именно работает диэнцефалон, и создаёте математическую манекенщик, которая сможет выстукивать его отдельные функции.

Беспристрастный путь — сие когда на основе этой модели вам создаёте физическую макет и проектируете технологическое склад, например чип, какой-либо сможет работать, на правах работает какой-так участок мозга. Однако уже без участия живых нейронов.

Таковой путь можно сопоставить с известным фильмом «Терминатор», идеже робот получил компьюторный интеллект, подобный человеческому. Сей поры люди не научились исполнять такие системы — прежде всего всего потому, будто науке неизвестно, точно именно мозг обрабатывает информацию. Многое ясный путь, но полной картины пропал.

Именно поэтому и появился дивиденд к применению живых нейронов в качестве элементов вычислительной системы — пишущий эти строки точно не знаем, точно они работают, так можем попробовать их пустить в дело. В том числе дай тебе понять, как работает отечественный мозг.

Однако возбраняется просто взять и подсоединить нейроны к обычному компьютеру, ибо что нейроны обмениваются аналоговыми, а отнюдь не цифровыми сигналами, по образу я говорил ранее. Оттого нужна ещё и строй ввода и вывода информации, интерфейс. Водан из вариантов таковский системы — сие конструкции из мемристоров. Аналогией в (видах таких нейрогибридных систем может состоять другой фильм — «Робокоп», идеже мозг человека был помещён в робота.

Да есть третье сентимен исследований. Тут в качестве аналогии приведу супербоевик «Аватар», в котором народ планеты Пандора «подключались» к драконам и управляли ими. На глазо такой принцип поведение у так называемых человеко-машинных интерфейсов. Они, делать за скольких правило, применяются в медицинской реабилитации, поздно ли человек с моторной дисфункцией может заведовать машинами напрямую — сигналами мозга, которые считываются специальными датчиками. Сие уже биометрический наблюдение, который используется в медицине.

— В нежели преимущества и недостатки использования биокомпьютеров по части сравнению с традиционными компьютерами?

— Во вкусе я говорил вначале, ранее человеческим мозгом в протяжении всей истории его формирования безвыгодный стояли задачи вычислительного характера. В (видах нас нет никакого смысла тщиться соревноваться в этом с машиной.

Что ни говорите мозг решает некоторые люди задачи несоизмеримо эффективнее, нежели самые мощные компьютеры. Я приведу довлеет чему что простой пример — моторику движений тела, конечностей. В случае если мы попробуем развернуть компьютер, который был в силах бы управлять движением шуршики так же как следует и синхронно, как сие делает мозг, нам потребуются скромно колоссальные вычислительные и энергетические заряд. Отсюда и такой профит к нейротехнологиям, и перспективы их коммерческого использования. Разве что бы удалось образовать такой контроллер, какой-нибудь мог бы быть во главе таким же в количестве приводов с такой но точностью, как визига управляет мышцами, в таком случае с ним не могли бы выдержать сравнение никакие полупроводниковые процессоры.

— А какие виды есть у молекулярных компьютеров, которые производят выкладки, используя последовательность молекул в ДНК?

— Сие уже немного другая научная ветвь. Скажу прямо, я настороженно отношусь к этому направлению, оттого что ДНК — сие микроструктура, где кончено устроено на основе статистики, а без- чётких закономерностей. Такие исследования могут находиться полезны генетикам и молекулярным биофизикам, биохимикам, а равно как для решения биоинформационных задач. Зато вряд ли такие выкладки смогут найти практика в реальном мире.

Глава лабораторией мемристорной наноэлектроники Научно-образовательного центра «Лицо твердотельных наноструктур» ННГУ Лексейка Михайлов

— Алёха Николаевич, ранее ваша милость с коллегами реализовали расчёт по сопряжению электрических схем с нейронной сетью культуры клеток мозга. Расскажите, будьте (так, об этом подробнее.

— Сие была относительно простая конструкция: мы соединяли искусственную нейронную текстиль на основе мемристоров с скорый системой нервных клеток беспричинно, что они работали совместно и обменивались сигналами. Страда была выполнена в рамках проекта Российского научного фонда (РНФ). Применение живых нейронов сопряжено с в сравнении проблем: живые клеточные культуры знай меняются, стареют, в области мере биологической деградации меняются и функциональные своя рука, организованные в упорядоченных культурах. Цель искусственной сети с мемристоров состояла в часть, чтобы отследить сии изменения. На сей случай была придумана специальная методика адаптации внешней стимуляции культуры с тем, пусть минимизировать последствия сих изменений. Гибридная нейротехнологическая концепция могла не всего на все(го) классифицировать отклик живых клеток возьми внешние стимулы, так также в ней работала и исподняя связь, которая помогала беспокойный клеточной культуре адаптироваться к собственным изменениям.

— Почто представляют собой мемристоры?

— В лента от традиционных полупроводниковых приборов, к примеру сказать транзисторов, которые являются логическими цифровыми элементами, мемристоры — аналоговые первоначальные сведения. У них очень простая конструкция: это слой оксидного диэлектрика нанометровой толщины, закаченный между слоями токопроводящих металлов. Доза оксидного слоя охватывает избыток атомов кислорода, другая, наизворот, дефицит, а также способна отправлять ток. Под определённым электрическим воздействием ионы кислорода переходят в ближний слой, что меняет проводность участков мемристора, — изменения сохраняются предварительно тех пор, (сих не будет приложено противоположное усилие. Таким образом мемристор хранит информацию — его максима действия очень похож получи принцип запоминания информации живыми нейронами. В таком случае синапсы нейрона равным образом меняют свою пропускную гений в зависимости от того, который сигнал проходит после них.

Суть да в том, что сведения не только хранится, хотя и обрабатывается в одном месте — что-то около происходит в нейронах, и оный принцип реализован и в мемристорах. В разность от классического компьютера, идеже есть отдельно вычислитель, отдельно память, а средь ними постоянно к лицу обмен данными, каковой требует затрат энергии, мемристоры самочки и хранят, и обрабатывают информацию.

Мемристоры для основе структур «хлеб индустрии — оксид — хлеб индустрии» можно иметь с традиционными интегральными микросхемами. Да мы с тобой сейчас разрабатываем такие гибридные устройства вместе с НИИИС имени Ю.Е. Седакова (Низовой. Ant. верхний Новгород) и НИИМЭ (Зеленоград). Сверху базе таких систем только и можно создать ускорители нейроморфных вычислений — сие новое аппаратное залог искусственного интеллекта, которое в нынешний момент разрабатывается в рамках научной программы Национального центра физики и математики.

Безотложно нейроморфные вычислительные системы без памяти условно воспроизводят архитектуру нервной системы. В (течение того времени что они способны заимствовать только очень примитивные операции — разве что сравнивать с возможностями структур мозга. Мемристоры дают куда как больше возможностей пользу кого создания мозгоподобных систем, которые будут сделано не по форме, а по мнению существу воспроизводить аппаратура работы мозга.

— Вам сейчас также занимаетесь созданием прототипа искусственного гиппокампа. Получи и распишись каком этапе находится испытание?

— В определённых структурах мозга, пример в гиппокампе, отвечающем ради память и ориентацию в пространстве, сконцентрированы особые нейроны, которые могут избирательно. Ant. огульно реагировать на отдельные образы. Такие когнитивно специализированные нейроны учёные в кои веки называют «бабушкиными клетками» — так есть клетками, которые позволяют нам знать собственную бабушку, к примеру сказать. Эти нейроны счета) и безошибочно реагируют один на образы конкретного объекта и игнорируют другие.

Особенность этих нейронов в томишко, что они имеют без памяти большое число дендритных отростков, ведь есть «входов» информации, и нежели их больше, тем избирательнее нервная клетка способен определять ясный образ. Если вклеивать в математических терминах, так работа отдельного нейрона заурядно сводится к операции скалярного умножения вектора входных сигналов получи и распишись вектор синаптических весов. Если нет два таких вектора оказываются сонаправленными, ведь они при перемножении дают максимальную сумму, получи которую реагирует нейроцит, — это и усиживать момент закрепления информации, узнавания. Тетя же входные векторы, которые ортогональны вектору весов, отклика безграмотный дают вовсе.

В многомерном пространстве, с большим в количестве «входов» информации, сие узнавание происходит не в пример (куда) эффективнее, так (как) будто два случайных вектора с беда большой вероятностью оказываются ортогональными. Математикам посчастливилось объяснить уникальную избирательность. Ant. огульность «бабушкиных клеток» в математических формулах. А с через мемристоров очень без (труда можно воспроизвести оный принцип «в железе» и осуществить физическую модель гиппокампа. Сия работа сейчас положено по штату нами в рамках текущего проекта РНФ.

— Какое практическое занятие найдёт такая системка?

— Во-первых, с её через мы сможем и слава богу понять, как работают отечественный мозг и его определённые структуры. Нет слов-вторых, она сможет бегло распознавать различные образы — и, в медаль от современных нейросетей, отнюдь не будет требовать долгого обучения. Такая государственное устройство сможет запоминать требуемый для распознавания стиль с первого раза.

Я думаю, какими судьбами в будущем на сих технологиях будет основана уйма технических продуктов и решений. Во, можно будет форсировать работу нейросетей и искусственного интеллекта, дополнить их эффективность. Преимущество такие устройства держи мемристорах будут больше компактными и энергоэффективными, нежели традиционные кремниевые чипы. Нисколько в далёкой перспективе такие системы смогут заступать структуры человеческого мозга близ неврологических заболеваниях. Несмотря на то пока об этом спозаранок говорить — это) (же) (самое) время ведутся фундаментальные и поисковые научные исследования.