Мозг человека — чрезвычайно сложная система. Узнать в деталях о том, что происходит внутри, ученые пытаются многие сотни лет. Сейчас, с развитием компьютерных технологий, это получается намного лучше, чем раньше. Процесс изучения мозга сдвинулся с мертвой точки и постепенно идет вперед.
Уже давно известно, что мы традиционно не слишком сильны в проведении сложных вычислений, зато наш мозг одновременно выполняет множество задач. Причем многе задачи он выполняет гораздо лучше, чем машина. Например, распознавание изображений человеку дается очень хорошо. У компьютеров, даже сложных нейронных систем, с этим похуже. Еще одной особенностью человека является то, даже самые сложные вычисления мы проводим с гораздо меньшими затратами энергии, чем компьютеры. Немудрено, что ученые стараются построить хотя бы упрощенную модель работы мозга человека.
Обычно речь идет о программной модели. Сейчас появились и попытки создать аппаратное обеспечение, способное действовать, как система нейронов определенной части мозга человека. Такую модель, например, пытались ранее создать специалисты Apple, Intel и некоторых других компаний при помощи обычных полупроводниковых элементов. В рамках нового проекта, который реализуется объединенными усилиями нескольких компаний и организаций, включая Hewlett Packard Enterprise и даже ВВС США, удалось разработать мемристор, который ведет себя, как нейрон. Выполняемая недавно таким элементом работа предопределяет его ответную реакцию. Этого специалистам удалось добиться благодаря распылению металла в твердом мемристоре.
Такую конструкцию элемента специалисты предложили после изучения принципа работы обычного нейрона. Во многих случаях активность нейрона определяется не только типом сигнала, получаемого этим элементом. На самом деле, у этого элемента есть краткосрочная память. Если конкретный нейрон уже получал сигналы в недавнем прошлом, то его легче активировать, чем нейрон, который таких сигналов не получал. С течением времени, если нейрон не получает сигналов, его ответная реакция приходит в норму.
Ученые решили создать искусственный элемент, который реагировал бы на сигналы подобным образом. Идея была реализована, для этого понадобилось использовать сразу несколько достижений науки и техники. В частности, пригодились результаты исследований ученых-материаловедов.
Мемристором называют пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы). Работа устройства обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев пленки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения.
Авторы исследования создали мемристор на основе кремния, кислорода и азота. Для того, чтобы переключать мемристор в состояние «активен», ученые использовали мельчайшие частицы серебра. Как только на мемристор подается ток, элемент нагревается. Его нагрев приводит к рассеиванию серебра в твердой среде мемристора. Возникают «провода», которые соединяют два конца мемристора. В результате мемристор становится проводником электрического тока.
Но интересно даже не это, а то, что происходит при отключении электричества. В этом случае можно ожидать, что элемент будет находиться в состоянии c низким сопротивлением. На самом деле, в этом случае возникает явление, которое называют переконденсация или Оствальдовское созревание.
Это процесс конденсации пересыщенной фазы вещества на поздних временах развития, когда закончен этап нуклеации, а рост крупных зёрен новой фазы (например, капель из пара) происходит за счёт более мелких в условиях «подавления без поедания», то есть растворения капель без их слипания. Явление впервые описано Оствальдом.
В случае мемристора это означает то, что серебро не находится долгое время в виде нанопроволоки. Частицы этого элемента собираются вместе, постепенно укрупняясь. Меньшие частицы одного и того же элемента собираются вместе. Мемристор ведет себя подобно нейрону. Если повторный сигнал был подан на мемристор почти сразу после получения первого сигнала, то его проводимость с элементами серебра остается прежней, то есть — высокой. Но если на мемристор долгое время не подавать электричество, серебряная нанопроволока разделяется на меньшие частицы, которые расходятся по объему мемристора, и проводимость его падает до первончальных значений.
Специалисты считают, что при помощи группы таких мемристоров можно построить небольшую модель участка головного мозга. Пока что простую, но если все пойдет хорошо, ученые надеются построить первый в мире нейронный компьютер с «глубоким мышлением».
Nature Materials, 2016. DOI: 10.1038/NMAT4756 (About DOIs).
Поделиться с друзьями
Комментарии (26)
asdfghjk12
01.10.2016 09:45-1Такие свойства имеют ВСЕ разновидности энергонезависимой памяти… Поэтому можель можно построить и на базе более популярной и гораздо более изученной флеш-памяти.
Vinchi
01.10.2016 11:44IBM Truenorth же есть. Его уже научили считать методом глубинного обучения. Нейросеть на чипе, энергоэффективный и программируемый.
babylon
01.10.2016 11:51Любое обучение предполагает бэктрекинг. Других методов нет. Нейросеть это красивое словцо, на котором многие спекулируют.
perfect_genius
Везде пишут про суммирование сигналов, но не про то, как нейрон получает отростки (дендриты) от нескольких других нейронов? Они отрастают к нему или имеются изначально?
vintage
Там ещё и инверсия сигналов есть. Отрастают, конечно.
perfect_genius
Инверсия — т.е. сигнал начинает идти в обратную сторону?
Отрастают, но как находят дорогу? Были такие варианты:
-изначально имеют кучу соединений, со временем лишние отмирают.
-межнейронная среда состоит из клеток, которые образуют «нити».
-дендрит синапсом «ползёт» по аксонам, тем самым сокращая расстояние.
babylon
Почитайте про нейропластичность. Причем разные нейроны имеют разные механизмы синаптического взаимодействия. Некоторые обмениваются нейромедиаторами целиком, а некоторые продуктами их распада. Процесс достаточно дешёвый и цикличный
perfect_genius
Получается, что не все нейроны одинаковы. Интересно.
vintage
Не, оказывает противоположное действие — не возбуждает клетку, а тормозит.
Аксоны ориентируются на «дорожную разметку» — специальные клетки, расположенные вдоль нервов.
Дендриты вроде просто половинным делением растут куда глаза глядят.
perfect_genius
Один нейрон возбуждает сигналом другой. Как же он тем же сигналом тормозит? Или в этом случае уже выпускает не сигнал, а тормозящие вещества.
От ваших сообщений узнал больше, чем за десятки лет из научных новостей, спасибо =)
Похоже, надо читать специализированные материалы, а не научпоп.
vintage
Там много разных сигналов :-) лучше и правда читать не мои пересказы, а хотя бы википедию.
babylon
Не совсем так. В одном и том же синапсе могут содержаться как возбуждающие так и тормозящие нейромедиаторы, а могут и не содержаться. Тормозящий синапс может стоять перед возбуждающим, а может и не стоять. Они могут трансформироваться один в другой. Вариантов не так много, но они есть. У аксонов есть конус роста, который пробивает себе путь. «Разметкой» являются концентрации разных химических соединений которые специфичны для того или иного нейрона.
pda0
Это же природа. В отличии от инженерных решений, где выбирается один из способов решения задачи, а остальные исключаются, в природных решениях обычно используются все возможные разом, в некоторой пропорции.
Конкретно здесь, минимальные связи есть изначально, при формировании кратковременных связей усиление достигается биохимическим методом, если стимуляция продолжается — включается обратная связь и связь усиливается ростом новых синапсов.
http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/432267/Pamyat_na_molekulyarnom_urovne
sumanai
> Это же природа. В отличии от инженерных решений, где выбирается один из способов решения задачи, а остальные исключаются, в природных решениях обычно используются все возможные разом, в некоторой пропорции.
Когда как. Появление сердца исключило остальные возможности гонять кровь по телу.
Rikkitik
А что, ток венозной крови вверх по ногам с помощью мышечных сокращений и обратных клапанов уже отменили?
pda0
Об этом в школе на биологии не рассказывают. :) (вроде)
don_ikar
По крайне мере лет 25 назад — рассказывали.
perfect_genius
Как это противоречит тому, что только сердце гоняет кровь? Клапаны же только задерживают отток вниз?
Rikkitik
Когда мышца напрягается, она сжимает вену, но благодаря клапанам кровь может идти только вверх. Так как мышцы сжимаются поочерёдно, зоны сжатия тоже перемещаются, и кровь подкачивается вперёд. Так тело помогает сердцу, ведь «на выдув» оно работает куда эффективнее, чем «на всасывание».
perfect_genius
У нас тоже такое не рассказывали в школе =(
sumanai
Это не основной способ, а дополнительный.
Rikkitik
Это дословно соответствует тезису, который вы пытались опровергнуть: «в природных решениях обычно используются все возможные разом, в некоторой пропорции.» То есть, появление сердца вовсе не прекратило использование других методов, а потеснило их, отхватив большую долю в пропорции.
sumanai
А ведь точно. Признаю, виноват, я опроверг своё неверное представление о ваших словах, а не сами ваши слова.
SquareIronBox
Имеются изначально. А в процессе обучения некоторые из связей между нейронами становятся более «проводящими».
sumanai
Могут возникать и новые, так же новые нейроны успешно встраиваются в текущую нейросеть. Так что всё сложно.
babylon
Новые нейроны никуда не встроятся если остальные их не позовут. Идеальная нейросеть сингулярна.