Sztuczne synapsy krokiem na drodze do sztucznego mózgu

Przemysł elektroniczny | 19 stycznia 2017

W ludzkim mózgu synapsy odpowiadają m.in. za umiejętność zapamiętywania i uczenia się. Naukowcy z Uniwersytetu Łódzkiego pracują nad sztucznymi synapsami, które będą niezbędnym elementem komputera neuromorficznego, odwzorowującego pracę ludzkiego mózgu.

Naukowcy z całego świata od dawna usilnie pracują nad systemami neuromorficznymi, czyli specyficznymi komputerami, działającymi podobnie jak ludzki mózg. Z tego powodu bywają nazywane sztucznym mózgiem. Opracowanie takiego sztucznego mózgu zakłada też np. jeden z flagowych projektów badawczych Unii Europejskiej "Human Brain Project".

Po co nam taki sztuczny mózg? Dr Maciej Rogala z Katedry Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego wyjaśnia, że opracowanie sztucznego mózgu m.in. pomoże zrozumieć, dlaczego zapadamy na choroby neurodegeneracyjne, np. chorobę Alzheimera. - Na razie nie rozumiemy do końca, skąd one się biorą i liczymy, że stworzenie sztucznego mózgu może pomóc w wyjaśnieniu tej kwestii - mówi dr Rogala.

- Aby komputery neuromorficzne odgrywały swoją rolę, potrzebne są sztuczne synapsy, zmieniające swoje właściwości na skutek uczenia się – wyjaśnia dr Rogala. - Mówiąc w dużym uproszczeniu podstawą pracy mózgu są neurony i synapsy, czyli połączenia między neuronami. Jeden neuron łączy się z drugim synapsą. Dobre połączenie między neuronami powoduje, że informacje między nimi w mózgu są przekazywane sprawnie. Jednocześnie, kiedy informacja przepływa przez synapsy regularnie, to automatycznie je zmienia, dzięki czemu potrafimy zapamiętywać i uczyć się - dodaje naukowiec.

Prace nad pierwszymi komputerami neuromorficznymi rozwijają się równolegle w kilku kierunkach. Część naukowców w roli sztucznych synaps chce wykorzystywać złożony system elementów elektronicznych. Inne zespoły pracują nad sztucznymi synapsami zbudowanymi z tzw. memrystorów z tlenków metali. To właśnie one mają unikalną możliwość "zapamiętywania" swojego przewodnictwa elektrycznego, co można określić jako umiejętność uczenia się. I to właśnie memrystor może stać się sztuczną synapsą łączącą sztuczne neurony. Na tej idei bazują naukowcy z zespołu prof. Zbigniewa Kluska z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego. W zespole tym swój grant realizuje też dr Maciej Rogala.

- Memrystorami zajmuję się od kilku lat, ale dotąd raczej wykorzystywałem jest w informatyce i nowych układach pamięci. To świetny element do przechowywania informacji. W ostatnim czasie wiele grup na świecie zaczęło się jednak zastanawiać, czy w memrystorach można nie tylko przechowywać informacje, ale też wykorzystywać je jako synapsy w sztucznym mózgu - wyjaśnia PAP dr Rogala.

Teraz w nowym projekcie, dofinansowanym przez Narodowe Centrum Nauki, dr Rogala chce więc sprawdzić, czy memrystory z ditlenku tytanu nadają się do wykorzystania w sztucznych synapsach o wielkościach nanometrowych. Jak tłumaczy, właśnie na ditlenku tytanu najłatwiej jest zrozumieć mechanizmy, które zachodzą w memystorach. - Ditlenek tytanu jest takim modelowym związkiem, podstawowym materiałem, na którym testuje się struktury memystorowe - zaznacza badacz. - Zadaniem mojego projektu jest wyjaśnienie mechanizmów fizycznych i chemicznych, które mogą zdecydować o tym, na ile te układy nadają się na synapsy i jak zachowają się w nanoskali - opisuje badacz.

Najpierw z ditlenku tytanu naukowiec będzie przygotowywał nanodruciki, które następnie spróbuje modyfikować przez przepływ prądu elektrycznego. Dr Rogala zamierza też przekonać się, czy jeśli do tych nanodrucików cyklicznie będzie przykładało się napięcie, to czy po jakimś czasie taka sztuczna synapsa zapamięta informację, którą otrzymuje. Gdyby udało się uzyskać taki efekt, to byłby pierwszy krok na drodze do zbudowania komputera neuromorficznego opartego na memrystorach.

Źródło: PAP - Nauka w Polsce, Ewelina Krajczyńska