Создана белковая электроника, максимально похожая на мозг

Учёные создали из белковых нитей искусственные нейроны, которые ведут себя как живые аналоги. Технология обещает прорыв в создании энергоэффективных устройств с искусственным интеллектом.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, как устроена и как обучается искусственная нейронная сеть. Напомним, что такие системы в общих чертах повторяют принципы устройства мозга и используются в системах искусственного интеллекта.

Нейронную сеть можно реализовать как программу на обычном компьютере или в виде специального устройства. В последнем случае перспективными элементами для изготовления искусственных нейронов являются мемристоры. Электрическое сопротивление такого элемента зависит от того, сколько электрического заряда успело пройти по нему за время работы.

Первые мемристоры появились в 2008 году. Для работы им требовалось достаточно высокое напряжение. Спустя десятилетия экспериментов учёные создали мемристоры, работающие при обычных для современной электроники напряжениях 0,2-2 вольта.

Однако таким устройствам пока ещё очень далеко до энергоэффективности нервной системы. Ведь амплитуда электрического сигнала в нейроне составляет около 0,1 вольта. Это и позволяет мозгу, содержащему порядка ста миллиардов нейронов, потреблять всего 12 ватт мощности.

Неожиданный прорыв в этом направлении совершила группа во главе с Цзюнь Яо (Jun Yao) из Массачусетского университета в Амхерсте.

Мы уже писали о том, что эта команда работает с белковыми нитями нанометрового диаметра, которые производит бактерия Geobacter sulfurreducens. Теперь учёные нашли способ сделать из этого материала мемристоры для нейронных сетей.

"Это первое [подобное] устройство, которое может работать с тем же уровнем напряжения, что и мозг. <...>. Это концептуальный прорыв, и мы думаем, что он вызовет много исследований в области электроники, которая работает в режиме "биологического" напряжения", — говорит Яо.

Коллеги, вероятно, "даже не осмеливались надеяться", что нечто подобное удастся создать уже сейчас, добавляет учёный.

Секрет в способности белков G. sulfurreducens химически восстанавливать металлы. За счёт этого процесса микробы получают энергию.

Исследователи собрали мемристор из белковых нанонитей и тонкой серебряной проволоки. По последней пропускали электрические импульсы. В результате в устройстве создавались новые разветвления и соединения волокон, которые в сто раз тоньше человеческого волоса.

Этот процесс похож на создание новых контактов между нейронами (синапсов) в нервной системе, а это и есть анатомический механизм, который отвечает за обучение мозга.

"В отличие от обычного компьютера это устройство обладает способностью к обучению, не основанной на программном обеспечении", — подчёркивает Яо.

Система работает при напряжениях 0,04-0,1 вольта, сопоставимых с напряжением на живом нейроне. Это делает её чрезвычайно энергоэффективной. Новые искусственные нервные клетки близки к своим естественным аналогам и по темпам своей работы.

Кроме того, белковые нанопроволоки стабильны в воде и биологических жидкостях, что может оказаться важным для медицины. А для своего производства они не требуют больших энергозатрат и токсичных химикатов.

Яо надеется, что однажды эти белковые нейроны удастся соединить с живыми нервными клетками.

К слову, ранее "Вести.Наука" писали о том, как биологи соединили живые и искусственные нейроны через Интернет.