Dirbtiniai neuronai pirmą kartą tiesiogiai bendravo su gyvomis smegenų ląstelėmis

Inžinierių komanda iš Šiaurės Vakarų universiteto (Northwestern University, JAV) pirmą kartą pademonstravo, kad atspausdinti dirbtiniai neuronai gali ne tik imituoti, bet ir tiesiogiai sužadinti gyvų smegenų ląstelių veiklą. Lankstūs, žemos kainos įrenginiai sugeneruoja elektrinius impulsus, labai panašius į biologinių neuronų signalus, ir sėkmingai aktyvuoja pelių smegenų audinį.

Mokslininkų teigimu, tai žymi naują etapą kuriant elektronikos sistemas, galinčias glaudžiai sąveikauti su nervų sistema, ir kartu rodo kelią link smegenų veikla paremtų, kur kas mažiau energijos vartojančių kompiuterinių technologijų.

Nauja dirbtinių neuronų karta

Pagrindinis darbo siekis buvo sukurti dirbtinius neuronus, kurių veikimo signalai būtų pakankamai tikslūs ir sudėtingi, kad galėtų „kalbėtis“ su tikromis smegenų ląstelėmis. Iki šiol dauguma dirbtinių neuronų generavo pernelyg supaprastintus impulsus, todėl norint imituoti realų smegenų veikimą tekdavo jungti labai daug įrenginių, o tai didino energijos sąnaudas.

Naujoji sistema paremta minkštomis, spausdinamomis medžiagomis, labiau primenančiomis pačių smegenų sandarą. Vietoje tradicinių standžių silicio lustų naudojamos elektroninės „rašalo“ medžiagos, kuriose yra nanoskalės molibdeno disulfido (MoS₂) dribsnių ir grafeno. MoS₂ atlieka puslaidininkio, o grafenas – laidininko vaidmenį.

Šios medžiagos aerosołine reaktyvine spausdintuve yra nusodinamos ant lanksčios polimerinės plėvelės, suformuojant dirbtinius neuronus primenančius komponentus. Pasak tyrėjų, tai leidžia kurti minkštus ir deformuojamus įrenginius, potencialiai geriau suderinamus su gyvu audiniu.

Kaip atsiranda neuroną primenantis impulsas

Vienas svarbiausių proveržių – netikėtas polimerinės matricos panaudojimas. Anksčiau polimeras elektroniniuose rašaluose buvo laikomas trūkumu, nes blogindavo elektros laidumą, todėl po spausdinimo buvo stengiamasi jį pašalinti.

Naujojoje schemoje mokslininkai polimerą tik iš dalies suskaido. Kai per įrenginį praleidžiama srovė, polimeras toliau irimo, bet tai vyksta netolygiai – tam tikrose vietose susiformuoja siauras laidus „siūlas“, kuriuo ima tekėti beveik visa srovė.

Toks srovės susitelkimas sukelia staigų elektrinį atsaką, labai panašų į biologinio neurono sužadinimą. Toks dirbtinis neuronas gali sukurti skirtingus impulsų režimus – pavienius spyglius, nuolatinį „šaudymą“ ar spiegių serijas, primenančias įvairius natūralių neuronų veiklos modelius.

Dėl šio sudėtingesnio elgesio kiekvienas dirbtinis neuronas gali atlikti daugiau funkcijų, todėl tam pačiam skaičiavimų uždaviniui išspręsti pakanka mažesnio įrenginių skaičiaus. Tai tiesiogiai mažina energijos poreikį.

Kritinis testas: sąveika su gyvu smegenų audiniu

Norėdami patikrinti, ar dirbtinių neuronų signalai iš tiesų suderinami su biologine sistema, tyrėjai bendradarbiavo su neurobiologais, kurie dirba su pelių smegenų audinio pjaustiniais. Dirbtinių neuronų generuoti elektros impulsai buvo taikomi smegenėlių (cerebellum) audiniui.

Matavimai parodė, kad dirbtinių neuronų spyglių trukmė ir dažnis atitinka pagrindines biologinių neuronų savybes. Gyvos smegenų ląstelės į šiuos impulsus reagavo – buvo fiksuotas tikrų neuronų sužadinimas ir grandinių aktyvacija, panaši į natūralų smegenų veiklos modelį.

Ankstesni bandymai su organiniais puslaidininkiais dažnai generuodavo per lėtus signalus, o naudojant metalų oksidus – pernelyg greitus. Šiuo atveju pavyko pasiekti laiko skalę ir impulsų formą, su kuriais gyvi neuronai „susikalba“.

Galimos medicininės ir technologinės taikymo kryptys

Tyrimas laikomas svarbiu žingsniu link tiesioginių smegenų–kompiuterio sąsajų ir neuroprotezų. Lankstūs, atspausdinti neuronai teoriškai galėtų būti integruojami į implantus, padedančius atkurti klausą, regą ar judėjimo funkcijas, jei ateityje pavyktų užtikrinti saugų ir stabilų darbą gyvame organizme.

Kita svarbi kryptis – smegenų veikla įkvėptas skaičiavimas. Biologinė smegenų sistema yra maždaug penkiais dydžių laipsniais energetiškai efektyvesnė už šiuolaikinius skaitmeninius kompiuterius. Jei pavyktų artimiau atkartoti, kaip neuronai komunikuoja ir apdoroja informaciją, būtų galima sukurti naujos rūšies aparatinę įrangą, kuriai atlikti sudėtingas užduotis prireiktų daug mažiau energijos.

Energetinė dirbtinio intelekto kaina

Tyrimo autoriai pabrėžia, kad naujos kartos dirbtiniai neuronai yra svarbūs ne tik neurotechnologijai, bet ir platesniame dirbtinio intelekto (DI) kontekste. Dabartiniai DI modeliai mokomi milžiniškais duomenų kiekiais, o tai reikalauja daug energijos ir didina duomenų centrų apkrovą.

Didelės DI infrastruktūros jau dabar suvartoja milžiniškus elektros kiekius ir generuoja daug šilumos, todėl reikalingi sudėtingi aušinimo sprendimai, dažnai – didžiuliai vandens kiekiai. Mokslininkų nuomone, jei aparatinė įranga išliks tokia pati, tolesnis DI mastelio didinimas taps sunkiai suderinamas su energijos ir aplinkosaugos ribojimais.

Dėl to siekiama į kompiuterinę architektūrą perkelti principus, kuriuos naudoja smegenys – heterogeniškumą, plastiškumą ir trimatį ryšį tarp komponentų. Spausdinti dirbtiniai neuronai, gebantys elgtis panašiai kaip biologiniai, yra viena iš technologijų, galinčių priartinti prie šio tikslo.

Lanksti, pigi ir tvaresnė gamyba

Be funkcinių privalumų, naujas metodas pasižymi ir gamybos paprastumu. Aerozolinė reaktyvinė spausdinimo technologija yra priedinė – medžiaga nusodinama tik ten, kur reikia, todėl susidaro mažiau atliekų, o procesas yra greitas ir ekonomiškas. Lanksčios polimerinės atramos leidžia kurti įrenginius, kuriuos būtų galima pritaikyti prie nelygių ir judančių paviršių, tarp jų ir biologinių audinių.

Tyrimas, kuriame aprašyti šie dirbtiniai neuronai iš atspausdintų MoS₂ memristinių nanosluoksnių tinklų, publikuojamas žurnale „Nature Nanotechnology“. Darbą rėmė JAV Nacionalinis mokslo fondas (National Science Foundation), o tyrėjų komanda atstovauja įvairioms Šiaurės Vakarų universiteto medžiagotyros, chemijos, inžinerijos ir medicinos sritims.

Pasak autorių, nors iki klinikinio pritaikymo ir pramoninio mastelio dar laukia daug darbo – nuo ilgalaikio patikimumo iki saugumo testų – šis pasiekimas rodo, kad riba tarp gyvų nervinių sistemų ir dirbtinių elektronikos įrenginių po truputį tampa vis labiau pralaidi.