Τεχνητή νοημοσύνη: αναπτύχθηκε ένα τσιπ που μιμείται την εγκεφαλική δραστηριότητα

Επί δεκαετίες, οι επιστήμονες ονειρεύονταν να δημιουργήσουν ένα σύστημα υπολογιστή που θα μπορούσε να αναπαράγει το ταλέντο του ανθρώπινου εγκεφάλου στην εκμάθηση νέων προβλημάτων.

Επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς την επίτευξη αυτού του στόχου, αναπτύσσοντας ένα τσιπ υπολογιστή που μιμείται τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες του εγκεφάλου προσαρμόζονται σε νέες πληροφορίες. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως πλαστικότητα, πιστεύεται ότι αποτελεί τη βάση πολλών εγκεφαλικών λειτουργιών, συμπεριλαμβανομένης της μάθησης και της μνήμης.

Με περίπου 400 τρανζίστορ, το τσιπ πυριτίου μπορεί να μιμηθεί τη δραστηριότητα μιας μόνο εγκεφαλικής σύναψης - της σύνδεσης μεταξύ δύο νευρώνων που διευκολύνει τη μεταφορά πληροφοριών από τον έναν νευρώνα στον άλλο. Οι ερευνητές αναμένουν ότι το τσιπ θα βοηθήσει τους νευροεπιστήμονες να μάθουν πολύ περισσότερα για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος και θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη νευρωνικών προθέσεων όπως τεχνητοί αμφιβληστροειδείς, λέει ο επικεφαλής του έργου Chi-Sang Poon.

Μοντελοποίηση συνάψεων

Υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια νευρώνες στον εγκέφαλο, καθένας από τους οποίους σχηματίζει συνάψεις με πολλούς άλλους νευρώνες. Μια σύναψη είναι ο χώρος μεταξύ δύο νευρώνων (προσυναπτικών και μετασυναπτικών νευρώνων). Ο προσυναπτικός νευρώνας απελευθερώνει νευροδιαβιβαστές όπως γλουταμινικό και GABA, οι οποίοι συνδέονται με υποδοχείς στην μετασυναπτική μεμβράνη του κυττάρου, ενεργοποιώντας ιοντικά κανάλια. Το άνοιγμα και το κλείσιμο αυτών των καναλιών προκαλεί αλλαγή στο ηλεκτρικό δυναμικό του κυττάρου. Εάν το δυναμικό αλλάξει αρκετά δραματικά, το κύτταρο πυροδοτεί μια ηλεκτρική ώθηση που ονομάζεται δυναμικό δράσης.

Όλη η συναπτική δραστηριότητα εξαρτάται από ιοντικά κανάλια, τα οποία ελέγχουν τη ροή φορτισμένων ιόντων όπως το νάτριο, το κάλιο και το ασβέστιο. Αυτά τα κανάλια είναι επίσης βασικά σε δύο διεργασίες γνωστές ως μακροπρόθεσμη ενδυνάμωση (LTP) και μακροπρόθεσμη κατάθλιψη (LTD), οι οποίες ενισχύουν και αποδυναμώνουν τις συνάψεις, αντίστοιχα.

Οι επιστήμονες σχεδίασαν το τσιπ του υπολογιστή τους έτσι ώστε τα τρανζίστορ να μπορούν να μιμούνται τη δραστηριότητα διαφορετικών ιοντικών καναλιών. Ενώ τα περισσότερα τσιπ λειτουργούν σε δυαδική λειτουργία on/off, τα ηλεκτρικά ρεύματα στο νέο τσιπ ρέουν μέσω των τρανζίστορ σε αναλογική λειτουργία. Μια διαβάθμιση ηλεκτρικού δυναμικού προκαλεί τη ροή του ρεύματος μέσω των τρανζίστορ με τον ίδιο τρόπο που τα ιόντα ρέουν μέσω των ιοντικών καναλιών σε ένα στοιχείο.

«Μπορούμε να συντονίσουμε τις παραμέτρους του κυκλώματος ώστε να εστιάζουν σε ένα συγκεκριμένο κανάλι ιόντων», λέει ο Poon. «Τώρα έχουμε έναν τρόπο να καταγράφουμε κάθε ιοντική διεργασία που συμβαίνει σε έναν νευρώνα».

Το νέο τσιπ αντιπροσωπεύει «μια σημαντική πρόοδο στις προσπάθειες μελέτης των βιολογικών νευρώνων και της συναπτικής πλαστικότητας σε ένα τσιπ CMOS [συμπληρωματικού μεταλλικού οξειδίου-ημιαγωγού]», λέει ο Dean Buonomano, καθηγητής νευροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες, προσθέτοντας ότι «το επίπεδο βιολογικού ρεαλισμού είναι εντυπωσιακό».

Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν το τσιπ τους για να δημιουργήσουν συστήματα προσομοίωσης συγκεκριμένων νευρωνικών λειτουργιών, όπως το σύστημα οπτικής επεξεργασίας. Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να είναι πολύ ταχύτερα από τους ψηφιακούς υπολογιστές. Ακόμη και τα συστήματα υπολογιστών υψηλής απόδοσης χρειάζονται ώρες ή ημέρες για να προσομοιώσουν απλά κυκλώματα του εγκεφάλου. Με το αναλογικό σύστημα του τσιπ, οι προσομοιώσεις είναι ταχύτερες από ό,τι στα βιολογικά συστήματα.

Μια άλλη πιθανή χρήση αυτών των τσιπ είναι η προσαρμογή των αλληλεπιδράσεων με βιολογικά συστήματα, όπως οι τεχνητοί αμφιβληστροειδείς και οι εγκέφαλοι. Στο μέλλον, αυτά τα τσιπ θα μπορούσαν να γίνουν δομικά στοιχεία για συσκευές τεχνητής νοημοσύνης, λέει ο Poon.