Интерфейс мозга и компьютера заставит работать со скоростью мысли

Мемристор на полианилине (PANI) с хромовыми электродами (S и D), PEO – полиэтиленоксидный «блок» с серебряным (Ag) референтным электродом, I – ток, протекающий между электродами, J – референтный ток, идущий от коллектора (D) к серебру и затем к эмиттеру (S). Фото Physorg

Российские и итальянские ученые объявили о создании на базе полианилина сверхминиатюрных мемристоров, с помощью которых можно будет создавать принципиально новые «сетевые» компьютеры, пишет журнал Organic Electronics. (В знаменитом романе Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» инженер Гарин борется со зловредным анилиновым королем, сжигая один из его заводов, направляя на его корпуса мощный тепловой луч.)

Напомним, что мемристор представляет собой вроде бы обычное сопротивление (резистор), но отличается от него нелинейностью (вольт-амперной) характеристики (в обычном сопротивлении по закону Ома ток пропорционален напряжению). В мемристоре очень важно изменение вольтажа, возрастание которого открывает «врата» нарастанию тока. Причем ток протекает и после уменьшения напряжения, в результате чего устройство некоторое время сохраняет «память». Уменьшение на 0,5 вольта в новом мемристоре приводило к возрастанию тока в 50 раз (с 0,1 до 5 микроампер), что достаточно для четкого распознавания сигнала.

Это свойство мемристора позволило авторам создать перцептрон – функциональную сеть нервного восприятия, то есть перцепции (откуда и название). Важно, что эта сеть может обучаться при подаче случайной последовательности электрических сигналов-импульсов. Если перцептрон давал неверный «ответ» при подаче на вход определенной комбинации импульсов, ученые могли дать «поправку», в результате чего после нескольких повторов внутренние параметры мемристора претерпевали реконфигурацию. Как следствие – правильный логический ответ.

Новое устройство делает мемристоры похожими на обычные нейроны, функционирование которых в сетях автономно и зависит от суммы сигналов, поступающих на их синапсы – точки межклеточных контактов. Структура последних весьма динамична, поскольку они постоянно исчезают и создаются вновь. Этим нервные клетки отличаются от чипов, на которых виды памяти и процессоры разделены.

Пластиковые схемы, основанные на новых мемристорах, дают возможность создавать 3D-архитектуру, помещая мемристор на мемристор в отличие от кремниевых чипов с их жесткой 2D-структурой. Указанные преимущества новых мемристоров позволят создавать новые компьютеры, функциональные «клетки» которых будут, подобно живым нейронам, работать параллельно, что вселяет надежду и на создание искусственного интеллекта, AI – Artificial Intellect).

Новые сети уже на первых этапах развития могут использоваться для распознавания образов и почерка людей, верификации их электронных подписей и для использования в машинах с автопилотом. Еще одна область – работающие со скоростью человеческой мысли интерфейсы человеческого мозга и компьютера.

Пример естественного интерфейса в организме – совокупность нервных сетей, управляющих согласованной работой сонма мышц в организме. Наше желание двинуть рукой «отправляется» на уровень спинного мозга, импульсы из которого включают сокращение бицепсов и трицепсов. Отключение коркового контроля порождает судороги, а гибель моторных нейронов спинного мозга приводит к параличу конечностей или боковому амиотрофическому склерозу (ALS – Amyotrophic Lateral Sclerosis), жертвой которого является британский ученый Стивен Хокинг. Нарушение движений – основной симптом болезни Паркинсона, развивающейся на фоне гибели нейронов.

Журналы Cell и Neuron поместили две статьи, в которых говорится о важной роли сетей базальных ганглиев для моторного контроля, осуществляемого путем тонкой настройки баланса возбуждающих и тормозящих нейронов. Совокупный «пакет» импульсов отправляется затем в ствол мозга. Во второй статье описывается оптогенетический контроль движений у мышей с моделью паркинсонизма, дрожание конечностей у которых «включалось» с помощью лазерных импульсов.

Вполне возможно, что со временем биоинженеры создадут биосовместимые мемристорные устройства для помощи людям с расстройствами движений разного происхождения.