Într-un progres fascinant care ne aduce cu un pas mai aproape de Sisteme tehnologice care conectează direct creierul uman la un computer sau dispozitiv extern, permițând controlul prin puterea gândului (ex: proteze bionice inteligente). integrate organic, inginerii de la Universitatea Northwestern au dezvoltat neuroni artificiali flexibili, printați, care transmit semnale electrice realiste direct către celulele cerebrale vii.
- Ce sunt neuronii artificiali și cum imită rețelele creierului uman
- Transformarea unui defect într-o superputere tehnologică
- Semnale cu o precizie biologică uluitoare
- Testul suprem: „discuția” cu un creier viu
- Spre implanturi bio-compatibile și o IA care nu distruge planeta
- Implicațiile uriașe ale cercetării
Acest nou tip de neuron electronic printat ar putea deschide calea către tehnologii capabile să comunice „față în față” cu țesutul nostru nervos. Dispozitivele moi și flexibile create de cercetători emit semnale electrice uimitor de asemănătoare cu cele ale neuronilor biologici. Primele teste au fost deja un succes răsunător: aceste semnale artificiale au reușit să activeze celule cerebrale vii prelevate din țesut de șoarece. Această descoperire, detaliată recent în revista Nature Nanotechnology, reprezintă un pas uriaș pentru viitoarele interfețe creier-mașină, oferind noi speranțe pentru tratarea bolilor neurodegenerative.
Miza acestei cercetări este dublă: pe de o parte, deschide calea către implanturi neuronale care ar putea reda mobilitatea pacienților paralizați, iar pe de altă parte, oferă o soluție hardware critică pentru consumul energetic masiv al sistemelor de inteligență artificială (IA). Mai mult, ne oferă o nouă rută către o tehnologie inspirată de cel mai eficient super-computer din universul cunoscut: creierul uman.
„Lumea în care trăim astăzi este dominată de inteligența artificială (IA). Modul în care faci IA mai inteligentă este prin antrenarea ei cu tot mai multe date. Acest antrenament intensiv în date duce la o problemă masivă de consum de energie. Prin urmare, trebuie să venim cu hardware mai eficient pentru a gestiona big data și IA. Deoarece creierul este cu cinci ordine de mărime mai eficient din punct de vedere energetic decât un computer digital, este logic să ne uităm la creier pentru inspirație pentru calculul de generație următoare.”, a declarat Mark C. Hersam de la Northwestern, care a condus studiul.
Ce sunt neuronii artificiali și cum imită rețelele creierului uman
Computerele de astăzi, oricât de performante ar fi, se bazează pe miliarde de tranzistori aproape identici, înghesuiți pe cipuri rigide de siliciu. Da, aceste sisteme pot îndeplini sarcini titanice, dar „înghit” enorm de multă energie în acest proces. În plus, odată construite, arhitectura lor rămâne absolut fixă.
Creierul, pe de altă parte, este o capodoperă a eficienței și flexibilității. Conține o multitudine de tipuri de neuroni, fiecare cu un rol bine definit, care formează rețele moi, tridimensionale. Aceste rețele se schimbă și se remodelează constant pe măsură ce învățăm, ne mișcăm și ne adaptăm.
„Siliciul atinge complexitatea prin miliarde de dispozitive identice. Totul este la fel, rigid și fix odată ce este fabricat. Creierul este opusul. Este eterogen, dinamic și tridimensional. Pentru a ne îndrepta în această direcție, avem nevoie de materiale noi și de modalități noi de a construi dispozitive electronice.”, a spus Hersam.
Deși cercetătorii au mai creat neuroni artificiali în trecut, majoritatea generează semnale pur și simplu prea rudimentare. Unii reacționează prea încet, alții prea repede. Din această cauză, inginerii se văd adesea nevoiți să construiască rețele masive și ineficiente energetic doar pentru a imita parțial activitatea complexă a creierului.
Transformarea unui defect într-o superputere tehnologică
Pentru a depăși aceste limitări, echipa lui Hersam a fabricat neuronii artificiali folosind cerneluri imprimabile bazate pe fulgi la scară nanometrică. Rețeta lor a inclus disulfură de molibden, care acționează ca un semiconductor, și grafen – celebrul material capabil să conducă excelent electricitatea.
Printr-o tehnică numită O tehnică avansată de fabricație (printare 3D) care pulverizează materiale la scară microscopică. Permite crearea de electronice moi și flexibile, care se pot adapta pe țesutul viu. cercetătorii au aplicat aceste cerneluri pe suprafețe flexibile din polimer. Rezultatul constă în dispozitive electronice moi, care se pot îndoaie mult mai ușor și mai natural decât cipurile rigide din siliciu.
În mod normal, oamenii de știință se chinuie să elimine complet polimerii stabilizatori din aceste cerneluri, deoarece ei pot bloca fluxul electric. Echipa de la Northwestern, însă, a abordat problema diferit. Au descompus doar parțial acest polimer și au profitat de schimbare pentru a obține un comportament fascinant de similar cu cel al creierului.
„În loc să îndepărtăm complet polimerul, îl descompunem parțial. Apoi, când trecem curent prin dispozitiv, determinăm descompunerea ulterioară a polimerului. Această descompunere are loc într-un mod spațial neomogen, ducând la formarea unui filament conductiv, astfel încât tot curentul este îngustat într-o regiune restrânsă în spațiu.”, a explicat Hersam.
Această „autostradă” îngustă permite dispozitivului să genereze vârfuri electrice bruște (spikes). Aceste vârfuri mimează aproape perfect modul în care neuronii vii transmit semnalele în organismul nostru.
Semnale cu o precizie biologică uluitoare
Neuronii printați nu sunt limitați la un singur truc; pot produce o mare varietate de activități. De la vârfuri singulare sau activitate constantă, până la rafale complexe. Această diversitate este esențială, deoarece nici celulele cerebrale reale nu se comportă toate după același șablon.
Mai mult, dispozitivele sunt capabile să genereze impulsuri la frecvențe uimitoare de până la 20 de kilohertzi și au rămas perfect stabile pentru mai mult de 1 milion de cicluri. Pentru viitoarele implanturi medicale și sisteme de O arhitectură informatică inovatoare, inspirată de structura fizică a creierului uman. Este concepută pentru a procesa cantități masive de date cu un consum energetic minim. o astfel de durabilitate este absolut crucială.
În cadrul testelor, neuronii artificiali au arătat niveluri multiple de complexitate, comportându-se modular. Într-un scenariu, au acționat ca niște neuroni de bază, activându-se doar după depășirea unui anumit prag. În altul, s-au activat repetat. Iar într-un al treilea mod, au produs rafale – fix tipul de semnale ritmice pe care biologii le observă în anumite circuite complexe ale sistemului nervos.
Înzestrând fiecare neuron artificial cu un comportament atât de bogat, inginerii ar putea reduce drastic numărul total de componente necesare într-o rețea. Tradus în practică, asta înseamnă sisteme viitoare mai mici, mult mai rapide și cu o eficiență energetică formidabilă.
Testul suprem: „discuția” cu un creier viu
Pentru a afla dacă aceste dispozitive pot efectiv „vorbi” pe limba biologiei, echipa a colaborat cu Indira M. Raman, profesoară de neurobiologie la catedra Bill and Gayle Cook din cadrul Weinberg College of Arts and Sciences de la Universitatea Northwestern.
În laborator, cercetătorii au trimis impulsurile de tensiune artificiale către secțiuni de cerebel de șoarece (zona din creier care ajută la coordonarea mișcării și ai cărei neuroni au un comportament electric intens studiat).
Rezultatele au fost remarcabile. Impulsurile artificiale s-au potrivit milimetric cu caracteristicile cheie ale semnalelor neuronale reale, respectând inclusiv sincronizarea și durata biologică. Astfel, au reușit să activeze cu succes Celule nervoase complexe și de mari dimensiuni aflate în cerebel. Sunt esențiale pentru coordonarea precisă a mișcărilor și reprezintă o țintă majoră în studiul paraliziei. o clasă majoră de celule cerebrale prezente în cerebel. Neuronii Purkinje sunt esențiali pentru controlul și coordonarea motorie. Faptul că noii neuroni artificiali îi pot activa cu precizie sugerează că viitoarele implanturi ar putea restabili mișcările complexe la pacienții cu afecțiuni neurologice severe.
„Alte laboratoare au încercat să creeze neuroni artificiali cu materiale organice, dar aceștia generau impulsuri prea lent. Sau au folosit oxizi metalici, care sunt prea rapizi. Ne aflăm într-un interval temporal care nu a fost demonstrat anterior pentru neuronii artificiali. Puteți vedea cum neuronii vii răspund la neuronul nostru artificial. Așadar, am demonstrat semnale care nu numai că au scala de timp potrivită, ci și forma potrivită a impulsului pentru a interacționa direct cu neuronii vii.”, a punctat Hersam.
Spre implanturi bio-compatibile și o IA care nu distruge planeta
Descoperirea deschide orizonturi incredibile pentru construirea unor interfețe creier-mașină cu adevărat funcționale. Astfel de sisteme ar putea susține într-o zi implanturi revoluționare pentru recuperarea auzului, vederii sau mobilității, ajutând în același timp membrele protetice să primească și să trimită feedback senzorial mult mai natural.
Există și un avantaj major de fabricație: dispozitivele sunt printate. Imprimarea aditivă plasează materialul strict acolo unde este necesar, eliminând risipa. Este un proces mult mai simplu și mai ieftin în comparație cu metodele tradiționale de producere a electronicelor.
Acest detaliu devine vital într-o eră în care expansiunea inteligenței artificiale amenință resursele. Centrele de date gigantice necesare pentru a susține sistemele de IA de astăzi consumă cantități colosale de energie și apă.
„Pentru a satisface cerințele energetice ale IA, companiile de tehnologie construiesc centre de date de gigawați alimentate de centrale nucleare dedicate. Este evident că acest consum masiv de energie va limita extinderea ulterioară a capacității de calcul, deoarece este greu de imaginat un centru de date de nouă generație care să necesite 100 de centrale nucleare. Cealaltă problemă este că, atunci când se disipă gigawați de energie, se produce multă căldură. Deoarece centrele de date sunt răcite cu apă, IA exercită o presiune severă asupra aprovizionării cu apă. Indiferent cum privim lucrurile, trebuie să dezvoltăm hardware mai eficient din punct de vedere energetic pentru IA.”, a avertizat Hersam.
Implicațiile uriașe ale cercetării
În esență, acest studiu, publicat în jurnalul ştiinţific Nature Nanotechnology, ar putea schimba fundamental felul în care privim dispozitivele medicale viitoare. Dacă neuronii artificiali pot reproduce impecabil ritmul și forma semnalelor din creier, implanturile ar putea deveni mult mai sigure, mai eficiente și mai blânde cu pacienții care au nevoie să își recâștige funcții vitale.
Pe frontul tehnologic, cercetarea ar putea catapulta eficiența calculului inspirat de creier (neuromorfic). În loc să folosească rețele gigantice de dispozitive rudimentare, sistemele de mâine s-ar putea baza pe un număr mic de neuroni artificiali cu un comportament complex, tăind drastic consumul de energie și transformând IA avansată într-o tehnologie durabilă.
În cele din urmă, dovada că electronicele flexibile și printate pot interacționa armonios cu țesutul viu deschide ușa către un viitor al dispozitivelor moi, care se mulează firesc pe anatomia umană. În timp, această descoperire ar putea estompa, poate definitiv, granița rigidă dintre mașină și biologie. Până atunci, succesul neuronilor artificiali printați la Universitatea Northwestern rămâne o dovadă clară că răspunsul la cele mai complexe provocări ale tehnologiei se află, adesea, chiar în biologia noastră.
(FAQ) Întrebări frecvente despre neuronii artificiali printați
Ce sunt neuronii artificiali printați?
Cum pot ajuta neuronii artificiali pacienții cu probleme de sănătate?
De ce este această inovație importantă pentru dezvoltarea Inteligenței Artificiale (IA)?
Pot acești neuroni artificiali să comunice cu adevărat cu celulele vii?
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Pupilele se dilată la surpriză, iar creierul pare să treacă într-un mod de „reîmprospătare”
Bacteriile care dau gust brânzeturilor artizanale ar putea fi utile și intestinului
Cum poate fi transformat ADN-ul într-un dispozitiv de stocare a datelor care consumă de 100 de ori mai puțină energie
Oamenii de știință explică de ce mersul devine mai greu odată cu vârsta
