Созданы искусственные нейроны, работающие как настоящие

Инженеры из UMass создали вдохновлённые живыми системами нейроны из бактерий, которые могут питать следующее поколение энергоэффективных технологий, похожих на мозг. Credit: Shutterstock

Инженеры из Массачусетского университета в Амхерсте разработали искусственный нейрон, чья электрическая активность близко соответствует активности природных клеток мозга. Это новшество основано на более ранних исследованиях команды с использованием белковых нанопроводов, созданных из производящих электричество бактерий. Такой подход может проложить путь к компьютерам, работающим с эффективностью живых систем, и даже способным подключаться напрямую к биологическим тканям.

«Наш мозг обрабатывает огромное количество данных, — говорит Шуай Фу, аспирант факультета электротехники и вычислительной техники в UMass Amherst и ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications. — Но его энергопотребление очень, очень низкое, особенно по сравнению с количеством электроэнергии, необходимой для работы большой языковой модели, такой как ChatGPT».

Человеческое тело работает с удивительной электрической эффективностью — более чем в 100 раз выше, чем у типичной компьютерной схемы. Один только мозг содержит миллиарды нейронов — специализированных клеток, которые отправляют и получают электрические сигналы по всему телу. Выполнение такой задачи, как написание рассказа, использует в человеческом мозге всего около 20 ватт мощности, тогда как большой языковой модели для достижения того же результата может потребоваться более мегаватта.

Инженеры давно стремились создать искусственные нейроны для более энергоэффективных вычислений, но снижение их напряжения до уровня биологических систем было серьёзным препятствием.

«Предыдущие версии искусственных нейронов использовали в 10 раз больше напряжения — и в 100 раз больше мощности — чем та, которую мы создали, — говорит Цзюнь Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в UMass Amherst и старший автор статьи. — Из-за этого более ранние конструкции были гораздо менее эффективными и не могли подключаться напрямую к живым нейронам, которые чувствительны к более сильным электрическим сигналам».

«Наши регистрируют всего 0,1 вольта, что примерно соответствует нейронам в нашем теле», — говорит Яо.

Существует широкий спектр применений для нового нейрона Фу и Яо — от перепроектирования компьютеров по биовдохновлённым и гораздо более эффективным принципам до электронных устройств, которые могли бы напрямую «общаться» с нашими телами.

«Сейчас у нас есть всевозможные носимые электронные системы сенсорики, — говорит Яо, — но они сравнительно громоздки и неэффективны. Каждый раз, когда они считывают сигнал из нашего тела, им приходится электрически усиливать его, чтобы компьютер мог его проанализировать. Этот промежуточный шаг усиления увеличивает как энергопотребление, так и сложность схемы, тогда как сенсоры, созданные с использованием наших низковольтных нейронов, могли бы обойтись без какого-либо усиления вообще».

Секретным ингредиентом в новом низковольтном нейроне команды является белковый нанопровод, синтезированный из удивительных бактерий Geobacter sulfurreducens, которые также обладают сверхспособностью производить электричество. Яо вместе с различными коллегами использовал белковые нанопроводы этих бактерий для создания целого ряда необычайно эффективных устройств: биоплёнки, питаемой потом, которая может заряжать персональную электронику; «электронного носа», способного вынюхивать болезни; и устройства, которое можно построить практически из чего угодно и которое может добывать электричество прямо из воздуха.

Это исследование было поддержано Армейским научно-исследовательским управлением, Национальным научным фондом США, Национальными институтами здравоохранения и Фондом Альфреда П. Слоуна.