Мозг On Line: кое-что о нейрочипах

Мозг On Line: кое-что о нейрочипах

Группа исследователей из отдела биохимических исследований Института им. Макса Планка (Германия) разработала чип, который может стимулировать и отображать состояние отдельных нейронов нервной ткани. Ученые использовали нейрочипы для того, чтобы изучить реакцию нейронов мозга крысы, отдельных участков мозга грызунов и некоторых других нервных клеток. Пока еще технология нейрочипов не может использоваться в массовом применении – созданы только прототипы. Однако при ее дальнейшем развитии станут возможны двусторонние интерфейсы «мозг-компьютер». Подобный интерфейс может дать поистине безграничные возможности в обработке человеком информации, начиная виртуальной реальностью, заканчивая постоянной мобильной коммуникацией с нервной системой других пользователей. Фантазировать дальше не буду. По-моему, и так все ясно.

С 1985 года исследователи начали оценивать реальные возможности создания имплантантов, которые обеспечивали бы прямой двусторонний интерфейс между человеческой нервной тканью и кремниевой электроникой. И в первую очередь встал вопрос о том, как соединить между собой две эти системы: жидкостную и кристаллическую. Другими словами, как сделать работоспособное кремниево-нейронное соединение?

Первые эксперименты в этой области были сделаны в 1991 и 1995 годах. Тогда нервные клетки пиявки располагали на поверхности транзисторов и пытались установить двусторонний контакт между клетками и электронными компонентами. После этих предварительных исследований проблема разветвилась на две: определение природы электрических свойств контакта «клетка-полупроводник» в зависимости от его структуры; соединение нескольких нервных клеток в нейронную сеть с помощью полупроводниковых микроэлектронных схем, контакты которых не проникают внутрь клетки, а взаимодействуют с ее мембраной.

Решение этих проблем и создание гибридных нейросетей позволит детально исследовать такие сложные динамические процессы головного мозга, как память и обучение.

Создание интерфейса нейрон-полупроводник

В принципе, проблема создания проводящего двустороннего интерфейса между нейроном и полупроводником может быть решена с использованием принципа электрической поляризации диэлектриков. Если соединить нейрон и полупроводник таким образом, что непроводящая липидная мембрана будет находиться в прямом контакте с изолирующим слоем диоксида кремния, расположенном на поверхности p-n перехода, то можно получить желаемый двусторонний интерфейс.

Еще раньше, в 1999 году, исследователи из Института им. Макса Планка попытались создать подобный чип, расположив на поверхности матрицы транзисторов отдельный нейрон крысы (см. рис. в заставке). Нервная клетка диаметром около 20 микрон и с толщиной липидной двуслойной мембраны в 5 нанометров была помещена на матрицу транзисторов, покрытых слоем диоксида кремния. Поверхность диоксида кремния оказалась чрезвычайно биосовместимой с живой клеткой. Весь чип находился в растворе электролита. Нейрон культивировался на поверхности чипа in vitro в течение трех дней.

На микрофотографии видна структура транзисторной матрицы (зеленым) и расположение нейрона (синим). При росте нейрона на подобной поверхности присоединение к ней мембраны обеспечивали межмолекулярные белки-интегрины, а также белки, взаимодействующие с внеклеточным матриксом. Однако эти же белки отдалили мембрану от поверхности на расстояние, соответствующее их размеру. Поэтому исследователи использовали электролит, который заполнил пространство между мембраной и чипом.

Для изучения свойств динамики передачи электрических сигналов от чипа к нейрону и наоборот исследователи построили эквивалентную электрическую схему полученной структуры и математически испытали новый чип на воздействие как переменного, так и постоянного сигнала. Сравнив сигналы, полученные в результате моделирования, с реальными, они утвердились в мысли, что ими выбрана одна из оптимальных моделей нейроинтерфейса.

Нейроэлектронные цепи

Описанный выше интерфейс является основой любых гибридных нейроэлектронных цепей. Для успешного построения гибридных цепей, работающих с несколькими нейронами, необходимо создать чип, который будет управлять передачей информации между ними. Для этого ученые создали гибридное электронное устройство, связывающее два нейрона между собой и позволяющее им обмениваться информацией. Размер полученного нейрочипа достаточно велик – около 300 микрон. Диаметр одного нейрона – 60 микрон.

В дальнейших работах исследователи сосредоточились на более сложных интерфейсах. Таких, например, как «чип-нейрон-нейрон-чип». Изучение процессов, происходящих в естественных нейронных сетях, поможет разобраться в работе механизмов памяти и обучения. А также пролить свет на так называемые «нейрокоды» – набор сигналов, с помощью которых происходит обмен информацией в нервных тканях. Для этого был создан чип, содержащий на своей поверхности ряд нейронов, синаптически связанных между собой в сеть.

На кремниевую подложку, содержащую ряд транзисторов-приемников, описанных выше, была нанесена культура нейронов. Причем отдельные нейроны иммобилизировались в «загоне» из столбиков кремния. Пластина была шероховатой, так как на шероховатостях нейроны лучше росли. Через два дня роста культура нейронов соединилась между собой в синаптическую сеть (чуть не написал «локальную», хотя это тоже было бы правильно :). Были выбраны два нейрона, к которым присоединили искусственные синапсы, работающие по тому же поляризационному принципу. Воздействовав при помощи стимулятора серией импульсов на один из нейронов, с нейрона 2 получили вызванные потенциалы. Три первых попытки активировать нейрон были неудачны, и только четвертый сигнал был воспринят им, да и то с задержкой, вызванной передачей по синаптической сети. Сейчас исследователи работают над различными культурами нейронных сетей для того, чтобы составить их математическую модель, с помощью которой прояснится вопрос о работе нескольких нейронов совместно с микроэлектронными устройствами.

Заключение

Правительство США, Евросоюз и Япония в 2004 году инвестировали в нанотехнологические исследования более чем $900 миллионов. И первые исследования во всех областях науки показали, что эти деньги не выброшены на ветер. Каждый экспериментально полученный результат может найти применение сразу в нескольких областях человеческой деятельности.

Три года назад не было речи о том, чтобы сконструировать что-то сложнее системы нейрон-транзистор. Сейчас созданы отдельные нейронные цепи, управляемые микроэлектроникой. Но, как говорят исследователи, нейроэлектроника только начинается. Исследователи надеются создать электронные матрицы, на которых нейронные сети смогут расти и развиваться, изменяя свою структуру по сигналам, поступающим от микроэлектронных устройств. Как утверждает один из исследователей, Берт Мюллер, «Интеграция живых нейросетей в современную CMOS-микроэлектронику будет прорывом как в биоэлектронике, так и в человеческой жизни вообще».

Автор: Свидиненко Юрий.

Полный текст статьи можно прочитать по адресу:

http://www.nanonewsnet.ru/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=9&pid=50