類人腦神經形態微晶片

2020-11-07 意識三磅的宇宙


消耗相同的能量

生物神經元

小100倍的晶片

頭髮的直徑

能夠複製活動

腦生物學

它們具有相同的神經電壓。

30年前，麻薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的研究人員在波託馬克河中發現了一種名為地細菌的原細菌，它可以產生導電的蛋白質納米線。

去年，這些研究人員開發了一種裝置，利用一種屬於地細菌家族的微生物產生的天然蛋白質，從空氣中的水分中產生電力。

在這一創新工藝的第三階段，來自同一所大學的另一組研究人員利用這些同樣的蛋白線獲得了一種記憶電晶體或神經形態記憶裝置。

研究人員在發表在《自然通訊》上的一篇文章（使用蛋白質納米線從環境溼度中發電）中解釋說，該裝置以極低的功率極高效地工作，就像人類大腦一樣，在神經元之間傳輸信號。

神經形態計算

這一結果尤其推動了所謂的神經形態計算，其目的是創造出像人腦一樣工作的晶片。

神經形態系統在硬體層面複製了神經元組織、交流和學習的方式。

目的是實現一種可編程計算模式，實現智能電子設備。

神經形態計算最大的障礙之一是，大多數傳統計算機在每一次操作中的消耗都超過1伏。

然而，人腦的效率更高，耗電量更少。

它在神經元之間發送信號僅消耗80毫伏，比目前的神經形態設備要少得多。

第一步

研究人員在一份聲明中說，這一壯舉是通過使用該大學從地細菌中開發的蛋白質納米線實現的。

他們補充說，這是第一次，這些特性的設備可以在與大腦相同的電壓水平下工作。

他們還指出，與昂貴的矽納米線相比，地細菌的導電蛋白納米線具有許多優勢，因為後者需要有毒化學品和高能工藝才能達到效果。

蛋白質納米線在水或體液中也更穩定，這是未來可能的生物醫學應用的重要特徵。

語境

需要注意的是，實現模擬神經連接的設備需要複製神經元實現突觸的壯舉。

讓神經元進行通訊和激活神經系統的電衝動是通過神經線路運行的，而神經線路是不連續的。

每根電線在某一點被剪斷，在神經元之間留下一個空隙，電脈衝必須通過跳入空隙併到達另一個神經元末端來解決。

這種跳入虛空的方式，被稱為突觸，其能量消耗閾值為80毫伏，這就是新設備實現的障礙。

它複製了神經系統的電壓，實現了突觸...

方法論

研究人員已經有能力切割細菌中的納米線，只使用導電蛋白。

這也是該設備能耗低的解釋之一。

研究人員還使用了一種金屬線，作為蛋白質納米線中細菌的食物。

研究人員表示，細菌納米線通過化學還原金屬的方式獲得能量，就像我們呼吸氧氣一樣。

蛋白質納米線（綠色）

採集自地球的細菌微生物（橙色）

方便設備的操作

電子存儲器

與生物電壓、模擬

大腦中的神經成分（藍色結）

學習

然而，這並不是該設備的唯一優勢，它的直徑比人的頭髮直徑小100倍。

它還能夠學習...

當電脈衝在金屬絲中產生變化時，小裝置中就會產生新的分支和連接。

那麼，就會出現類似於真實大腦中的學習新連接的效果。

研究人員可以調控納米線突觸的導電性，或者說可塑性，使其能夠模擬生物元件，實現大腦啟發的計算。

與傳統的計算機相比，這種設備具有非軟體的學習能力，他們得出結論。

預測

工作還遠遠沒有結束。

研究人員打算在這些設備中充分探索蛋白質納米線的化學、生物學和電子學。

他們希望提出可能的應用，其中可能包括一種監測心率的設備。

最終的目標是，有朝一日這種設備能夠與生物系統中的真實神經元對話，解決健康問題。

也就是要讓計算機像生物大腦一樣高效。

到目前為止，他們已經大大模糊了電子系統和生物系統之間的界限。


參考

受生物啟發的生物電壓憶阻器-Tianda Fu等。自然通訊，第11卷，文章編號：1861（2020）。

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