Mózgi krzemowe

W przeciwieństwie do większości laboratoriów neuronaukowych, laboratorium Kwabeny Boahen na Uniwersytecie Stanforda jest bez skazy – nie ma porozrzucanych pipet ani pomieszanych zestawów chemikaliów. Zamiast tego na pustej ławce laboratoryjnej stoi samotna płytka drukowana zawierająca bardzo specjalny układ scalony. Tranzystory w typowym chipie komputerowym są rozmieszczone z maksymalną szybkością przetwarzania; ale ten mikroprocesor zawiera klastry maleńkich tranzystorów zaprojektowanych do naśladowania elektrycznych właściwości neuronów. Tranzystory są ułożone tak, aby zachowywały się jak komórki w siatkówce, ślimaku, a nawet hipokampie, miejscu głęboko w mózgu, które sortuje i przechowuje informacje.

Kwabena Boahen jest profesorem nadzwyczajnym bioinżynierii na Uniwersytecie Stanforda i kierownikiem laboratorium neurobiologii, które opracowało chip komputerowy.

Boahen jest częścią małej, ale rosnącej społeczności naukowców i inżynierów wykorzystujących proces, który nazywają neuromorfingiem, do budowy skomplikowanych obwodów elektronicznych przeznaczonych do modelowania zachowania obwodów neuronowych. W swoich pracach wykorzystują diagramy anatomiczne różnych części mózgu wygenerowane przez lata żmudnych badań na zwierzętach prowadzonych przez neuronaukowców na całym świecie. Istnieje nadzieja, że ​​okablowane modele mózgu dostarczą spostrzeżeń trudnych do uzyskania przy pomocy istniejących technik eksperymentalnych. Mózgi robią rzeczy w nowatorskie technicznie i koncepcyjnie sposoby, które powinniśmy być w stanie zbadać, mówi Rodney Douglas, profesor w Instytucie Neuroinformatyki w Zurychu. Potrafią bez problemu rozwiązać problemy, których nie potrafimy jeszcze rozwiązać za pomocą największych i najnowocześniejszych maszyn cyfrowych. Jednym ze sposobów na zbadanie tego jest opracowanie sprzętu, który idzie w tym samym kierunku.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2007 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wśród najbardziej intrygujących aspektów mózgu jest jego zdolność do tworzenia wspomnień – coś, co od dziesięcioleci fascynuje neuronaukowców. Wydaje się, że ta zdolność jest zakorzeniona w hipokampie, którego uszkodzenie może prowadzić do amnezji.

Szeroko zakrojone badania neuronów w hipokampie i innych częściach mózgu rzuciły nieco światła na to, w jaki sposób zachowanie neuronów powoduje powstawanie wspomnień. Neurony kodują informacje w postaci impulsów elektrycznych, które mogą być przekazywane do innych neuronów. Kiedy dwa połączone neurony wielokrotnie odpalają w bliskiej kolejności, połączenie między nimi zostaje wzmocnione, tak że odpalenie pierwszego pomaga uruchomić odpalenie drugiego. Ponieważ ten proces – znany neurologom jako uczenie Hebbowskie – zachodzi w wielu sąsiadujących komórkach, tworzy sieci połączeń między różnymi neuronami, kodując i łącząc informacje.

Multimedialne

• Zobacz demo chipa komputerowego.

Aby lepiej zrozumieć, jak to działa, Boahen i doktorant John Arthur opracowali chip oparty na warstwie hipokampu znanej jako CA3. Wciśnięty między dwie inne warstwy komórkowe, jedną, która otrzymuje dane wejściowe z kory i drugą, która ponownie wysyła informacje, uważa się, że CA3 jest miejscem, w którym faktycznie dzieje się pamięć – gdzie informacje są przechowywane i łączone. Wskazując na schemat architektury chipa, Boahen wyjaśnia, że ​​każda komórka modelu na chipie składa się z klastra tranzystorów zaprojektowanych do naśladowania aktywności elektrycznej neuronu. Ogniwa krzemowe są ułożone w szyku 32 na 32, a każde z nich jest zaprogramowane tak, aby słabo łączyło się z 21 sąsiadującymi komórkami. Po pierwsze, połączenia między komórkami są wyłączone, naśladując ciche synapsy. (Synapsa to połączenie między neuronami; cicha synapsa to taka, w której, jeśli dana komórka nerwowa się uruchomi, przekazuje niewielkie zmiany w aktywności elektrycznej swoim sąsiadom, ale nie na tyle, aby wywołać propagację sygnału elektrycznego.)

Jednak, jak wyjaśnia Boahen, chip ma zdolność do zmiany siły tych połączeń, imitując to, co dzieje się z neuronami podczas uczenia Hebbowskiego. Ogniwa krzemowe monitorują, kiedy ich sąsiedzi strzelają. Jeśli komórka uruchomi się tuż przed uruchomieniem jej sąsiada, to zaprogramowane połączenie między dwiema komórkami zostanie wzmocnione. Chcemy uchwycić funkcję pamięci asocjacyjnej, więc chcemy, aby połączenia między komórkami włączały się lub wyłączały w zależności od tego, czy komórki są aktywowane razem, mówi Boahen.

Siedząc przy biurku z płytką drukowaną i laptopem przed sobą, Arthur, który jest teraz stażystą w laboratorium Boahena, demonstruje zdolność chipa do zapamiętywania. Najpierw wysyła sygnały elektryczne do chipa z laptopa, który rejestruje również wyjście neuronów krzemowych chipa. Wielokrotnie wyzwala aktywność tylko w neuronach, które tworzą na tablicy kształt litery U; ekran jego laptopa pokazuje błyski światła, które odtwarzają ten wzór, reprezentujący aktywność w chipie. Każdy neuron odpala w nieco innym czasie, stale monitorując odpalanie swoich 21 połączonych sąsiadów. Stopniowo wzmacniane są połączenia między neuronami tworzącymi U: chip nauczył się wzorca. Kiedy Arthur następnie uruchamia aktywność w lewym górnym rogu litery U, błyski światła na ekranie spontanicznie odtwarzają resztę wzoru, gdy aktywność elektryczna rozprzestrzenia się wśród neuronów krzemowych na chipie. Chip skutecznie przypomniał resztę U.

Naukowcy ze Stanford planują dodać obwody do chipa, aby modelował również warstwę hipokampa znaną jako zębatą, która odbiera sygnały z kory i wysyła je do CA3. Mają nadzieję, że ten model będzie w stanie stworzyć jeszcze bardziej złożone wspomnienia. Chcemy móc dać mu A i przypomnieć sobie cały alfabet, mówi Boahen.

Zespół jest również w trakcie opracowywania innych chipów neuromorficznych. Jej najnowszy projekt – i jak dotąd najbardziej ambitny projekt neuromorficzny w historii – to model kory, ostatnio wyewoluowanej części naszego mózgu. Skomplikowana struktura kory mózgowej pozwala nam na wykonywanie złożonych wyczynów obliczeniowych, takich jak rozumienie języka, rozpoznawanie twarzy i planowanie przyszłości. Pierwsza generacja modelu będzie składać się z płytki drukowanej z 16 chipami, z których każdy będzie zawierał tablicę neuronów krzemowych o wymiarach 256 na 256.

Tworząc chipy, które są w stanie naśladować korę, hipokamp i siatkówkę, Boahen ma nadzieję lepiej zrozumieć mózg i ostatecznie zaprojektować protezy nerwowe, takie jak sztuczna siatkówka. Kwabena jest jedną z niewielu osób, które łączą dwie perspektywy: tych, którzy chcą zaprojektować lepsze chipy i tych, którzy chcą zrozumieć mózg, mówi Terry Sejnowski, neurobiolog obliczeniowy z Instytutu Salka w La Jolla w Kalifornii. Myślę, że jest jedną z tych osób, które wyprzedzają swój czas.

Emily Singer jest redaktorem działu biotechnologii i nauk przyrodniczych Przegląd technologii .

ukryć