Физики создали первый искусственный аналог синапса нервных клеток
Американские ученые создали первый полупроводниковый аналог синапса - соединения между нервными клетками, что позволит ученым создавать вычислительные системы, имитирующие работу мозга, и изучать его тайны в "железе", говорится в статье, опубликованной в журнале ACS Nano.
"Главной отличительной чертой синапсов является то, что они могут одновременно передавать как возбуждающие, так и тормозящие сигналы в другие нервные клетки. Все попытки скопировать их устройство требуют использования 10-20 транзисторов, комбинация которых позволяет имитировать только одно нервное окончание. Мозг человека, в свою очередь, содержит 100 триллионов синапсов", - рассказывает Хань Ван (Han Wang) из университета Южной Калифорнии в Сан-Франциско (США).
Синапсы, или нервные окончания, представляют собой особые структуры на поверхности нервных клеток, которые позволяют им передавать информацию в виде электрических и химических сигналов в соседние нейроны, обмениваясь с ними особыми молекулами-нейротрансмиттерами. В клетках мозга человека и других животных содержатся десятки подобных веществ, часть из которых возбуждает нейроны, заставляя их чаще вырабатывать сигналы, а другие - подавляют их работу.
В синапсах содержится множество "мешочков" с подобными веществами, которые они передают в соединенную с ним нейрон при поступлении соответствующей "команды" в нервную клетку от других клеток, соединенных с ней их собственными нервными окончаниями. Как недавно выяснили ученые, настоящие нейроны, в отличие от транзисторов и рукотворных аналогов нервных клеток, могут одновременно передавать и тормозящие, и возбуждающие сигналы и "переключаться" между разными режимами работы, что придает им невероятную гибкость в работе.
Ван и его коллеги создали первый полноценный аналог синапса, собрав своеобразный "бутерброд" из нескольких кусочков разных полупроводников - так называемого "черного" фосфора и селенида олова, а также двух золотых контактных площадок и подложки из двуокиси кремния.
Ключевая часть этого искусственного синапса - тонкий слой оксида фосфора, разделяющий фосфорный полупроводник и подложку, как рассказывают ученые, может показаться многим ученым ошибкой или дефектом производства, так как такие слои обычно образуются при плохой изоляции миикросхем и при их контакте с воздухом во время изготовления.
На самом деле, эта часть "бутерброда" Вана и его коллег позволяет ему переключаться между разными режимами работы, пропуская или не пропуская ток при приложении электрического поля к одному или двум золотым электродам. То, как много пропускает тока этот слой, можно гибко менять, используя эти электроды, что позволяет ему полностью имитировать то, как работают синапсы и нервные клетки в целом.
Соответственно, комбинации большого числа подобных искусственных нервных окончаний можно применять не только для создания искусственных нейросетей, не тратя на это огромное число транзисторов или вычислительных ресурсов, но и для создания аналогов мозга и цепочек нейронов живых существ и изучения того, как они работают. Это, как надеются ученые, приблизит нас к раскрытию тайн человеческого сознания и разума.
