Bilim İnsanları Gerçek Beyin Hücreleri Gibi İletişim Kuran Bakterilerden Yapay Nöronlar Üretiyor

Yakın zamanda yapılan bir atılımla, Massachusetts Amherst Üniversitesi'ndeki mühendisler, voltajlarına kadar gerçek nöronlar gibi çalışan yapay nöronlar yarattılar.

Ekip, elektrik üreten bakterilerden yetiştirilen protein nanotellerini kullanarak, sentetik beyin devrelerinde daha önce hiç görülmemiş bir biyo-gerçekçilik düzeyine ulaştı.

Bu hafta yayınlanan çalışmaları Doğa İletişimiyeni nesil beyinden ilham alan bilgisayarlara ve giyilebilir cihazlara doğru önemli bir adımı işaret ediyor biyoelektronik Günümüzün yapay zeka sistemlerinin tükettiği gücün çok küçük bir kısmını kullanırken, canlı hücrelerle sorunsuz bir şekilde etkileşime girebilen cihazlar.

UMass Amherst'te elektrik ve bilgisayar mühendisliği alanında baş yazar ve yüksek lisans öğrencisi olan Shuai Fu, "Beynimiz muazzam miktarda veri işliyor" dedi. basın bülteni. "Ancak güç kullanımı, özellikle ChatGPT gibi Büyük Dil Modelini çalıştırmak için gereken elektrik miktarıyla karşılaştırıldığında çok çok düşük."

İnsan beyni bilinen en verimli bilgi işlem makinesidir. Yaklaşık 20 watt güçle veya sönük bir ampulün kullandığı enerjiyle her saniye trilyonlarca işlemi gerçekleştiriyor. Buna karşılık, büyük bir yapay zeka modelini çalıştırmak bir milyon watt'tan fazla güç tüketebilir.

Onlarca yıldır bilim insanları nöromorfik elektronikler kullanarak beynin verimliliğini taklit etmeye çalışıyorlar. Bu sistemler daha hızlı, daha düşük güçte hesaplama elde etmek için biyolojik sinir ağlarını taklit eder. Ancak voltaj, gerçek yapay sinir ağlarının gerçekleştirilmesinin önünde önemli bir engel olmaya devam ediyor.

Gerçek nöronlar 0,1 volt civarındaki ultra düşük voltajlarda ateşlenir. Yapay versiyonların çalışması için genellikle bunun 10 katı kadar bir miktara ihtiyaç vardır ve bu da onları canlı sistemlerle uyumsuz hale getirir. Ancak UMass ekibinin cihazı sonunda bu açığı kapatmış olabilir.

Ortak yazar ve elektrik ve bilgisayar mühendisliği doçenti Jun Yao, "Yapay nöronların önceki versiyonları bizim yarattığımızdan 10 kat daha fazla voltaj ve 100 kat daha fazla güç kullanıyordu" dedi. "Bizimki yalnızca 0,1 volt kaydediyor, bu da vücudumuzdaki nöronlarla hemen hemen aynı."

Bu yeniliğin temelinde toprak mikrobu adı verilen bir şey var. Geobakter kükürt azaltıcılar. Bu bakteri doğal olarak saç benzeri filamentler veya protein üretir nanotellerelektriği ileten.

Bu nanotellerin Amherst araştırmacıları için bir altın madeni olduğu zaten kanıtlandı. Geçtiğimiz birkaç yılda ekibi bunları biyolojik olarak ilham alan çeşitli elektronik cihazlar oluşturmak için kullandı. biyofilm Terden güç alabilen bir "elektronik burun", hastalıkları tespit edebilen bir "elektronik burun" ve hatta nemli havadan elektrik toplayabilen bir cihaz.

Şimdi aynı mikrobiyal malzeme, biyolojik benzerleri gibi sivrilen ve ateşlenen yapay nöronlar oluşturmak için kullanıldı. Araştırmada araştırmacılar, bu biyo-tabanlı hafızacıların (önceki elektrik durumlarını "hatırlayan" cihazların) nasıl gerçek nöron sinyallerinin genliği, enerjisi ve frekansıyla eşleşen sürekli voltaj artışları ürettiğini açıklıyor.

Önemli bir şekilde, bu yapay nöronlar doğrudan biyolojik hücrelere bağlanabiliyor. Bir deneyde ekip, sentetik nöronlarını canlı bir kalp hücresine bağladı; bu, yapay devrenin, hücrenin elektriksel durumunu gerçek zamanlı olarak yorumlamasına olanak sağladı. Araştırmacılar, "Bu sonuçlar, biyoelektronik arayüzü ve nöromorfik entegrasyonu geliştirmek için biyo-emüle edilmiş elektronikler oluşturma potansiyelini ilerletiyor" dedi.

Bu başarı, biyoelektronik alanında uzun süredir hayal edilen bir şey olan canlı doku ile sentetik elektronik arasında iki yönlü somut bir iletişim kanalını ortaya koyuyor.

UMass ekibinin düşük voltajlı nöronları, bilgiyi daha çok canlı beyinler gibi işleyen, çok daha az enerji kullanan ve çok daha az ısı üreten nöromorfik bilgisayarların temelini oluşturabilir.

Bu verimlilik, yapay zeka donanımında devrim yaratarak gelecekteki sistemlerin, şu anda veri merkezlerini rahatsız eden devasa enerji tüketimi olmadan güçlü hesaplamalar gerçekleştirmesine olanak tanıyabilir. Bu tür cihazlar aynı zamanda giyilebilir teknoloji Ve tıbbi implantlar hassas hücrelere zarar vermeden vücudun içinde güvenle çalışır.

Yao, "Şu anda her türlü giyilebilir elektronik algılama sistemimiz var" dedi. "Fakat nispeten hantal ve verimsizler. Vücudumuzdan gelen bir sinyali her algıladıklarında, bir bilgisayarın bunu analiz edebilmesi için onu elektriksel olarak yükseltmek zorundalar. Yükseltmenin bu ara adımı hem güç tüketimini hem de devrenin karmaşıklığını artırır, ancak düşük voltajlı nöronlarımızla oluşturulan sensörler herhangi bir yükseltme olmadan da bunu yapabilirler."

Başka bir deyişle, geleceğin sağlık monitörleri, beyin veya kalp aktivitesini harici işlemciler olmadan doğrudan yorumlayabilir ve bu da yeni bir kesintisiz iletişim çağını başlatabilir. biyoelektronik iletişim.

Bu atılım, daha önce ayrı olan iki sınırı (enerji hasadı ve sinirsel hesaplama) nasıl birbirine bağladığı açısından özellikle dikkat çekicidir.

Bunlara izin veren aynı Geobacter nanotelleri yapay nöronlar biyolojik voltajlarda ateşleme aynı zamanda ortamdaki nemden çok küçük miktarlarda elektrik de toplayabilir; bu, araştırmacıların bir fenomeni önceden dublajlı "Hava gen." Prensip olarak, bu malzemeyle inşa edilecek gelecekteki cihazlar, havadaki nemi ve hatta insan terindeki tuzu kullanarak kendi enerjilerini üretebilecek.

Bu kendi kendini idame ettirmenin kapısını açar biyoelektronik sistemler— yaşayan organizmalara benzer şekilde kendilerini algılayan, hesaplayan ve güç sağlayan küçük cihazlar.

Çalışmanın teknik temeli, gerçek nöronların "entegre et ve ateşle" davranışını taklit edebilen gelişmiş bir memristör devresine dayanıyor. Araştırmacılar, yapay nöronlarının yalnızca biyolojik olarak gerçekçi voltaj ve enerjilerde ateş etmekle kalmayıp, aynı zamanda sodyum gibi iyonlara ve dopamin gibi nörotransmitterlere öngörülebilir şekilde yanıt veren kimyasal nöromodülasyon sergilediğini de gösterdi.

Basitçe söylemek gerekirse, cihazlar tıpkı canlı hücrelerin yaptığı gibi kimyasal ipuçlarını "hissediyor" ve onlara "yanıt veriyor". Biyolojik dokularla entegre edildiklerinde, bir gün hasarlı sinir yollarının onarılmasına veya duyusal arayüzlerin geliştirilmesine yardımcı olabilirler.

Araştırmacılar çalışmayı küçük ama çok önemli bir adım olarak tanımlıyor biyohibrit elektronik, canlı ve yapay sistemlerin uyum içinde çalıştığı bir gelecek.

Araştırma henüz başlangıç ​​aşamasında olsa da biyoloji ile elektroniği birleştirme kavramı hızla ilerlemektedir. UMass Amherst'in protein nanotel nöronlarıyla ilgili önceki başarısı, sürdürülebilir, düşük güçlü ve biyouyumlu bilgi işlem cihazlarının artık bilim kurgu olmadığını gösteriyor.

Araştırmacılar, mühendislerin doğanın enerji verimli sinyalleşmeyi nasıl optimize ettiğini inceleyerek şunları yapabileceğini öne sürüyor: tasarım makineleri sadece hayatı taklit etmekle kalmıyor, aynı zamanda onunla kusursuz bir şekilde çalışıyor.

Sonuçta, bakterilerle çalışan bu nöronlar gelişmeye devam ederse, yarının bilgisayarları ve tıbbi implantlar tıpkı organik sistemler gibi “düşünebilir” ve “yaşayabilir”.

Araştırmacılar şu sonuca varıyor: "Yapay nöron ile biyolojik hücre arasındaki kanıtlanmış 'hücreden hücreye' sinyal akışı, ön formda olmasına rağmen, daha etkili biyoelektronik arayüzler yaratmanın fizibilitesine öncülük edebilir." "Çalışma, biyo-emülasyonlu elektroniklerin geliştirilmesine yönelik umut verici bir yön öneriyor ve bu da biyosistemlerle daha yakın bir arayüze yol açabilir."

Tim McMillan emekli bir kolluk kuvveti yöneticisi, araştırmacı muhabir ve The Debrief'in kurucu ortağıdır. Yazıları genellikle savunma, ulusal güvenlik, İstihbarat Topluluğu ve psikoloji ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Tim'i Twitter'da takip edebilirsiniz: @LtTimMcMillan. Tim'e e-posta yoluyla ulaşılabilir: [email protected] veya şifreli e-posta yoluyla: [email protected]