Chip Mimics pocítace Jak nase neurony prizpusobit nové informace

Vytvorení pocítacového systému, který dokáze replikovat schopnost lidského mozku naucit se nové úkoly, byl vekem vedcu po celá desetiletí. Výzkumníci MIT jsou nyní jedním obrovským krokem k realizaci tohoto snu navrzením pocítacového cipu, který napodobuje, jak se neurony mozku prizpusobují v reakci na nové informace. Tento proces, známý jako plasticita, je povazován za základ mnoha funkcí mozku, jako je pamet a ucení. Zjistení bude popsáno vedoucím autorem Chi-Sang Poonem v Národním akademii ved tento týden.
Kremíkový cip, který má priblizne 400 tranzistoru, je schopen simulovat cinnost jedné synapse mozku. Synapsa je spojení mezi dvema neurony, bunkami, které jsou specializovány na prenos signálu do jednotlivých cílových bunek a synapse je prostredkem, kterým tak ciní.
Chi-Sang Poon, hlavní vedecký pracovník v oddelení zdravotnických ved a technologie Harvard-MIT, ríká, ze ocekávají, ze tento cip bude pomáhat neurovedum, aby se dozvedeli více o tom, jak funguje mozku. Cip by mohl být také vyuzit v neurálních protetických prostredích, jako jsou umelé retiny.

Modelování synapse

Mozok obsahuje asi 100 miliard neuronu, z nichz kazdý tvorí synapsy s mnoha dalsími neurony. Synapsa je rozstep (mezery) mezi dvema neurony, jeden se nazývá presynaptický neuron a druhý je postsynaptický neuron. Presynaptický neuron uvolnuje neurotransmitery, tj. Glutamát a GABA, které se vázou na receptory postsynaptické bunecné membrány a aktivují iontové kanály, které jsou schopné procházet elektrickým proudem.
Elektrický potenciál bunky se zmení otevrením a zavrením techto iontových kanálu, coz zpusobuje zmeny napetí v presynaptické bunce, aby indukovaly zmeny napetí v postsynaptické bunce. Tento elektrický impuls se nazývá akcní potenciál.
Celá synaptická aktivita závisí na techto iontových kanálech, které rídí tok nabitých atomu, tj. Sodíku, draslíku a vápníku. Tyto iontové kanály jsou zásadní pro dva procesy, jako je dlouhodobá potenciace (LTP), která posiluje synapse a dlouhodobou depresi (LTD), která oslabuje synapse.
Výzkumníci MIT navrhli pocítacový cip takovým zpusobem, ze tranzistory mohou napodobovat cinnost ruzných iontových kanálu. Ve srovnání s vetsinou cipu, které pracují v binárním rezimu on / off, vedci navrhli nový mozkový cip tak, aby proud proudil tranzistory v analogovém a nikoli digitálním módu, s gradientem elektrického potenciálu pohánejícího proud protékající tranzistory podobné iontum protékajícím iontovými kanály v bunce.
Komentáre k poónám:

"Muzeme prizpusobit parametry obvodu tak, aby odpovídaly specifickým iontovým kanálum. Nyní máme zpusob jak zachytit kazdý iontový proces, který se deje v neuronu."

Predtím vedci staveli obvody, které by mohly simulovat pouze vypalování akcního potenciálu bez vsech okolností, které produkují potenciály. Poon pridává:

"Pokud skutecne chcete napodobit funkci mozku realisticky, musíte udelat víc nez jen spiknutí. Musíte zachytit intracelulární procesy zalozené na iontových kanálech."

Výzkumníci MIT predpokládají, ze jejich cip bude pouzit pro systémy budov, které budou modelovat specifické neuronové funkce, jako je vizuální zpracovatelský systém, který by mohl být podstatne rychlejsí nez digitální pocítace. Simulace jednoduchého mozkového obvodu muze trvat hodiny nebo dny, dokonce i na velkokapacitních pocítacových systémech, zatímco simulace s analogovým cipovým systémem je dokonce rychlejsí nez biologický systém.
Podle Poona by mohla být dalsí potenciální aplikace, která by mohla propojit biologické systémy, coz by mohlo být prospesné pro potenciální komunikaci mezi mozkem a neurálními protetickými prostredky, jako jsou umelé retiny. V daleké budoucnosti by tyto cipy mohly slouzit jako stavební bloky pro zarízení umelé inteligence.

Debata byla vyresena

Cip byl jiz vyuzíván týmem MIT, aby navrhl resení dlouhodobé diskuse o tom, jak vzniká spolecnost LTD.
Podle jedné hypotézy, LTD a LTP závisí na frekvenci akcních potenciálu stimulovaných v postsynaptické bunce. Novejsí teorie vsak naznacuje, ze nacasování príchodu akcního potenciálu na synapse je klícem, na nemz závisí dlouhodobá potenciace a dlouhodobá deprese, nebot oba vyzadují zapojení iontových kanálu známých jako NMDA receptory, které detekují postsynaptické aktivace.

Dalsí nedávná teorie naznacuje, ze oba modely by mohly být sjednoceny, kdyby se na detekci této aktivity podílel druhý typ receptoru. Jedním potenciálním kandidátem na druhý receptor je endokaninoidní receptor.
Endokanabinoidy, srovnatelné se strukturou marihuany, se produkují v mozku a hrají roli v ruzných funkcích, jako je pocit bolesti, chut k jídlu a pamet. Podle nekterých teorií vedcu, pokud se do synapse uvolní endokaninoidy, které se produkují v postsynaptické bunce, aktivují presynaptické endokaninoidní receptory a LTD se vyskytne, pokud jsou soucasne aktivní NMDA receptory.
Výzkumníci se podarilo presne simulovat jak LTP, tak LTP tak, ze do nich vlozily tranzistory, které modelovaly endokaninoidní receptory. Poon prohlásil, ze navzdory podpore drívejsích experimentu az dosud "to nikdo neudelal a ukázal výpocetne, ze to skutecne funguje, a tak funguje."
Studie vedla Chi-Sang Poonová, hlavní vedecká pracovnice v oddelení zdravotnických ved a technologií Harvard-MIT, vedoucího autora Guy Rachmuth, bývalého postdoktora v Poonove laboratori.Dalsími autory jsou Mark Bear, profesor neurologie Picower v MIT, a Harel Shouval z Texaské lékarské skoly.
Napsal Petra Rattue