Искусственные нейроны говорят на языке мозга: революция в биосовместимой электронике

Инженеры Массачусетского университета в Амхерсте достигли прорыва, который может изменить будущее вычислительной техники: они создали искусственные нейроны, работающие на том же напряжении, что и живые клетки человеческого мозга — всего 0,1 вольта. Это открывает путь к созданию биосовместимых компьютеров, которые смогут напрямую взаимодействовать с нервной системой без промежуточных усилителей.

Белковые нанопроволоки: ключ к биологическому напряжению

В основе революционного устройства лежит мемристор — компонент, способный «запоминать» электрические состояния. Вместо традиционного кремния исследователи использовали белковые нанопроволоки, извлеченные из бактерии Geobacter sulfurreducens. Эти биологические структуры естественным образом проводят заряды при низких напряжениях, что принципиально отличает подход UMass от решений технологических гигантов вроде IBM и Intel.

Предыдущие попытки создания искусственных нейронов требовали в 10 раз больше напряжения и в 100 раз больше энергии, чем новая разработка. Такое высокое напряжение делало невозможным прямое взаимодействие с живыми нейронами, которые просто не выдержали бы электрической нагрузки. Команда под руководством профессора Цзюня Яо решила эту проблему, интегрировав нанопроволочный мемристор в простую RC-цепь, имитирующую процессы зарядки и разрядки настоящих нейронов.

Энергоэффективность на уровне биологии

Устройство потребляет всего несколько пикоджоулей энергии на один импульс, что соответствует диапазону биологических нейронов (0,3–100 пикоджоулей). Это не просто теоретическое достижение — измерения напряжения и тока в цепи подтверждают сопоставимость с естественными процессами. Выпускник Шуай Фу, ведущий автор исследования, вспоминает момент прорыва: «Мы наблюдали за компьютером, пока измерялись значения тока и напряжения. Показатели продолжали снижаться, и мы говорили друг другу: "Вау, это работает!"».

В отличие от коммерческих нейроморфных чипов, которые полагаются исключительно на электронные сигналы, искусственные нейроны UMass могут реагировать на химические стимулы. Команда встроила в схемы датчики натрия и дофамина. Натрий последовательно повышал частоту активации, в то время как дофамин вызывал «амбиполярный эффект»: активация возрастала при низких концентрациях, но снижалась при высоких — точно так же, как это происходит в биологических системах.

От лаборатории к практическому применению

Устройство можно производить стандартными CMOS-методами, используемыми в традиционном чипостроении, что отличает его от специализированных квантовых или фотонных решений, требующих уникальных конфигураций. Однако масштабирование представляет собственные вызовы: белковые нанопроволоки нужно культивировать бактериями, очищать и размещать на чипах. Команда Яо уже успешно реализовала этот процесс для устройств сбора энергии, но промышленная консистентность пока не проверена.

Профессор Яо предостерегает от излишнего оптимизма: «Дело не только в энергопотреблении одного нейрона. Важно, как они соединены в сеть, аналогично мозгу. Мы пока не достигли этого уровня». Тем не менее, потенциальные применения впечатляют: от носимых биосенсоров, работающих без усиления сигнала, до медицинских имплантатов, способных напрямую взаимодействовать с нервной системой.

Сейчас у нас есть разнообразные носимые электронные сенсорные системы, но они сравнительно неуклюжи и неэффективны. Каждый раз, когда они регистрируют сигнал от нашего тела, им необходимо электрически усиливать его, чтобы компьютер мог его проанализировать. Сенсоры, построенные на наших низковольтных нейронах, могут обойтись вообще без усиления.— Цзюнь Яо, профессор UMass Amherst

Конкурентная гонка в нейроморфных вычислениях

Подход UMass контрастирует с направлением, выбранным технологическими корпорациями. IBM с чипом NorthPole и Intel с Loihi создают нейроморфные системы полностью из кремния, имитируя нейроны множеством транзисторов, но оперируя на напряжениях выше биологических. Компании могут легко производить миллионы кремниевых нейронов, но не достигли диапазона напряжений живых клеток. UMass изменил эту динамику, достигнув биологической точности как в напряжении, так и в энергопотреблении, хотя сталкивается с более сложными материаловедческими вызовами.

Стартапы вроде BrainChip также проявляют интерес к нейроморфным вычислениям, стремясь к энергоэффективности, сопоставимой с человеческим мозгом. Прорыв UMass указывает на возможность гибридного пути, где биологические материалы интегрируются в полупроводниковую инфраструктуру, создавая принципиально новый класс вычислительных устройств.

Путь к биологической интеграции

Команда планирует продолжить исследование механизмов, «полностью изучив химию, биологию и электронику» белковых нанопроволок в мемристорах. Возможные применения включают устройства мониторинга сердечного ритма, медицинские имплантаты и интерфейсы мозг-компьютер нового поколения. В отличие от существующих решений, использующих оптические методы для коммуникации с нервными клетками, новый подход реплицирует естественную электрическую систему организма.

Это исследование знаменует важный шаг в направлении «нейроморфной интеграции» — создания электронных систем, которые не просто имитируют функции мозга, но могут стать его органичным продолжением. Пока перед командой стоят вызовы масштабирования и расширения спектра распознаваемых химических молекул, фундаментальный принцип доказан: кремний и биология теперь говорят на одном электрическом языке.