Ученые создали искусственные нейроны из бактерий, которые общаются как настоящие клетки мозга
Инженеры Университета Массачусетса в Амхерсте совершили прорыв, создав искусственные нейроны из бактериальных белковых нанопроводов, которые функционируют так же, как настоящие клетки мозга, вплоть до работы при одинаковом с ними напряжении. Достижение, подробно описанное в журнале Nature Communications, знаменует собой значительный шаг на пути к созданию компьютеров, вдохновленных мозгом, и носимых биоэлектронных устройств, которые смогут беспрепятственно взаимодействовать с живыми клетками, потребляя при этом лишь малую долю энергии, необходимой современным системам искусственного интеллекта.
Ключевым барьером на пути создания истинно искусственных нейронных сетей долгое время было напряжение. Настоящие нейроны работают при сверхнизком напряжении около 0,1 вольта, в то время как их искусственным аналогам обычно требуется в десять раз больше. Устройству команды из Массачусетса удалось преодолеть это препятствие. Как пояснил соавтор работы доцент Джун Яо, их искусственный нейрон регистрирует только 0,1 вольта, что сопоставимо с нейронами в нашем теле, и потребляет в сто раз меньше энергии, чем предыдущие версии.
Основой для инновации послужила почвенная бактерия Geobacter sulfurreducens, которая естественным образом производит похожие на волосы нити, или белковые нанопровода, проводящие электричество. Используя этот материал, исследователи создали биологические мемристоры — устройства, которые «помнят» предыдущие электрические состояния. Эти искусственные нейроны генерируют непрерывные спайки (импульсы), соответствующие амплитуде, энергии и частоте сигналов реальных нейронов.
Значимость разработки подчеркивается способностью искусственных нейронов напрямую соединяться с биологическими клетками. В ходе эксперимента исследователи соединили свой синтетический нейрон с живой сердечной клеткой, что позволило искусственной цепи интерпретировать электрическое состояние клетки в реальном времени. Это достижение демонстрирует наличие осязаемого двустороннего канала связи между живой тканью и синтетической электроникой.
Низковольтные нейроны команды из Массачусетса могут стать основой для нейроморфных компьютеров, которые обрабатывают информацию подобно живому мозгу, потребляя при этом гораздо меньше энергии и выделяя меньше тепла. Такая эффективность может революционизировать аппаратное обеспечение для ИИ. Кроме того, эти устройства могут найти применение в носимых технологиях и медицинских имплантатах, которые смогут безопасно работать внутри тела, не повреждая хрупкие клетки. Как отметил Джун Яо, датчики, созданные на основе их низковольтных нейронов, смогут интерпретировать сигналы тела, например, активность мозга или сердца, без необходимости их предварительного усиления, что упростит схемы и снизит энергопотребление.
Прорыв также связывает воедино два ранее отдельных направления: сбор энергии и нейронные вычисления. Поскольку те же самые нанопровода Geobacter способны добывать крошечные количества электричества из влажности окружающего воздуха, будущие устройства на основе этого материала потенциально смогут самостоятельно питаться, используя влагу из воздуха или даже соль из человеческого пота. Это открывает дорогу для самоподдерживающихся биоэлектронных систем. Исследователи описывают свою работу как небольшой, но ключевой шаг на пути к биоэлектронике будущего, в которой живые и искусственные системы будут действовать в унисон.