Ученые создают искусственные нейроны, которые работают как настоящие
Инженеры Массачусетского университета в Амхерсте создали искусственный нейрон, чья электрическая активность максимально приближена к естественным клеткам мозга. Разработка основана на использовании белковых нанопроводов из электро-производящих бактерий. Технология может открыть путь к компьютерам с энергоэффективностью живых систем и даже к их прямому соединению с биологическими тканями.
Бактерии Geobacter sulfurreducens — уникальные микроорганизмы, способные выживать без кислорода, получая энергию за счет переноса электронов на металлы и другие вещества во внешней среде. Эти бактерии буквально «дышат» электричеством, используя белковые нанопровода для транспорта электронов наружу. В естественной среде они играют важную роль в геохимических процессах, а их способность генерировать электрический ток сделала их объектом пристального внимания биоинженеров для создания биотопливных элементов и биоэлектронных устройств.
Человеческий мозг обрабатывает колоссальные объемы информации, потребляя поразительно мало энергии. Написание текста требует от мозга всего около 20 ватт мощности, в то время как большая языковая модель для той же задачи может потратить более мегаватта. Тело человека работает с электрической эффективностью более чем в 100 раз превышающей типичную компьютерную схему. Миллиарды нейронов в мозге передают электрические сигналы по всему организму, и инженеры давно пытаются воспроизвести эту эффективность искусственно.
Главным препятствием было снижение напряжения до биологического уровня. Предыдущие версии искусственных нейронов использовали в 10 раз больше напряжения и в 100 раз больше мощности, чем новая разработка. Из-за этого они были неэффективны и не могли напрямую взаимодействовать с живыми нейронами, чувствительными к сильным электрическим сигналам. «Разработанные нами нейроны работают при напряжении 0,1 вольта, что примерно соответствует нейронам в наших телах», — говорит Джун Яо, старший автор исследования. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Как работает искусственный нейрон
Секретный ингредиент нового низковольтного нейрона — белковый нанопровод, синтезированный из бактерии Geobacter sulfurreducens, обладающей способностью производить электричество. Команда Яо ранее использовала эти бактерии для создания целого ряда устройств: биопленки, работающей на поте и питающей персональную электронику, «электронного носа» для диагностики болезней, и устройства, собирающего электричество буквально из воздуха.
Применение новых нейронов может быть широким — от перепроектирования компьютеров на новых принципах до электронных устройств, способных напрямую общаться с нашим телом. «У нас есть множество носимых электронных сенсорных систем, но они сравнительно громоздки и неэффективны», — отмечает Яо. Каждый раз, когда они улавливают сигнал от тела, его необходимо электрически усиливать для компьютерного анализа. Этот промежуточный этап усиления увеличивает как энергопотребление, так и сложность схемы, но сенсоры на основе низковольтных нейронов могут обойтись вообще без усиления.
Комментарии