Teoretiska fysiker vid Utrecht University har tillsammans med experimentella fysiker vid Sogang University i Sydkorea lyckats bygga en konstgjord synaps. Denna synaps arbetar med vatten och salt och ger det första beviset på att ett system som använder samma medium som våra hjärnor kan bearbeta komplex information.
Resultaten visas i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
I jakten på att förbättra energieffektiviteten hos konventionella datorer har forskare länge vänt sig till den mänskliga hjärnan för att få inspiration. De syftar till att efterlikna dess extraordinära kapacitet på olika sätt.
Dessa ansträngningar har lett till utvecklingen av hjärnliknande datorer, som avviker från traditionell binär bearbetning till att omfatta analoga metoder som liknar våra hjärnor. Men medan våra hjärnor arbetar med vatten och lösta saltpartiklar som kallas joner, förlitar sig de flesta nuvarande hjärninspirerade datorer på konventionella fasta material.
Detta väcker frågan:Skulle vi inte kunna uppnå en mer trogen replikering av hjärnans funktion genom att använda samma medium? Denna spännande möjlighet ligger i hjärtat av det växande fältet för jontronisk neuromorfa datoranvändning.
I den senaste studien publicerad i PNAS , har forskare för allra första gången visat ett system som är beroende av vatten och salt som uppvisar förmågan att bearbeta invecklad information, vilket speglar funktionaliteten hos våra hjärnor. Centralt för denna upptäckt är en liten enhet som mäter 150 gånger 200 mikrometer, som efterliknar beteendet hos en synaps – en viktig komponent i hjärnan som ansvarar för att överföra signaler mellan neuroner.
Tim Kamsma, en Ph.D. kandidat vid Institutet för teoretisk fysik och Mathematical Institute of Utrecht University, och huvudförfattaren till studien, uttrycker sin spänning och säger:"Medan det redan finns konstgjorda synapser som kan bearbeta komplex information baserad på fasta material, visar vi nu för första gången som den här bedriften också kan åstadkommas med vatten och salt. Vi replikerar effektivt neuronalt beteende med hjälp av ett system som använder samma medium som hjärnan."
Jonmigrering
Enheten, utvecklad av forskare i Korea och hänvisad till som en jontronisk memristor, består av en konformad mikrokanal fylld med en lösning av vatten och salt. Vid mottagande av elektriska impulser migrerar joner i vätskan genom kanalen, vilket leder till förändringar i jonkoncentrationen.
Beroende på impulsens intensitet (eller varaktighet) anpassas kanalens konduktivitet i enlighet med detta, vilket speglar förstärkningen eller försvagningen av anslutningar mellan neuroner. Omfattningen av förändringen i konduktansen fungerar som en mätbar representation av insignalen.
Ett ytterligare fynd är att kanalens längd påverkar den varaktighet som krävs för att koncentrationsförändringar ska försvinna. "Detta tyder på möjligheten att skräddarsy kanaler för att behålla och bearbeta information under varierande varaktighet, återigen i likhet med de synaptiska mekanismerna som observeras i våra hjärnor", säger Kamsma.
Uppkomsten av denna upptäckt kan spåras tillbaka till en idé skapad av Kamsma, som började sin doktorandforskning för inte så länge sedan. Han omvandlade detta koncept – centrerat kring användningen av artificiella jonkanaler för klassificeringsuppgifter – till en robust teoretisk modell.
– Av en slump korsades våra vägar med forskargruppen i Sydkorea under den perioden, säger Kamsma. "De omfamnade min teori med stor entusiasm och satte snabbt igång experimentellt arbete baserat på den."
Anmärkningsvärt nog materialiserades de första fynden bara tre månader senare, nära de förutsägelser som beskrivs i Kamsmas teoretiska ramverk. "Jag tänkte wow!" han reflekterar. "Det är otroligt glädjande att bevittna övergången från teoretiska gissningar till påtagliga verkliga resultat, som i slutändan resulterar i dessa vackra experimentella resultat."
Kamsma understryker forskningens grundläggande karaktär och framhåller att jontronisk neuromorf beräkning, samtidigt som den upplever snabb tillväxt, fortfarande är i sin linda. Det tänkta resultatet är ett datorsystem som är mycket överlägset i effektivitet och energiförbrukning jämfört med dagens teknik. Huruvida denna vision kommer att förverkligas förblir dock spekulativt vid denna tidpunkt. Ändå ser Kamsma publiceringen som ett viktigt steg framåt.
"Det representerar ett avgörande framsteg mot datorer som inte bara kan efterlikna den mänskliga hjärnans kommunikationsmönster utan också använda samma medium", hävdar han. "Kanske detta i slutändan kommer att bana väg för datorsystem som återskapar den mänskliga hjärnans extraordinära förmågor mer troget"
Mer information: Tim M. Kamsma et al, Hjärninspirerad datoranvändning med flytande jontroniska nanokanaler, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320242121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Utrecht University
