Kunstmatige intelligentie: er is een chip ontwikkeld die hersenactiviteit nabootst

Al tientallen jaren dromen wetenschappers ervan een computersysteem te creëren dat het talent van het menselijk brein voor het leren van nieuwe problemen zou kunnen evenaren.

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology hebben nu een grote stap gezet in de richting van dit doel door een computerchip te ontwikkelen die de manier nabootst waarop hersenneuronen zich aanpassen aan nieuwe informatie. Dit fenomeen, bekend als plasticiteit, zou aan de basis liggen van veel hersenfuncties, waaronder leren en geheugen.

Met zo'n 400 transistors kan de siliciumchip de activiteit van een enkele hersensynaps nabootsen – de verbinding tussen twee neuronen die de informatieoverdracht van de ene neuron naar de andere vergemakkelijkt. De onderzoekers verwachten dat de chip neurowetenschappers veel meer zal leren over hoe de hersenen werken, en ook gebruikt zou kunnen worden om neurale prothesen zoals kunstmatige netvliezen te ontwikkelen, aldus projectleider Chi-Sang Poon.

Synapsen modelleren

Er zijn ongeveer 100 miljard neuronen in de hersenen, die elk synapsen vormen met vele andere neuronen. Een synaps is de ruimte tussen twee neuronen (presynaptische en postsynaptische neuronen). Het presynaptische neuron geeft neurotransmitters af zoals glutamaat en GABA, die zich binden aan receptoren op het postsynaptische membraan van de cel en ionkanalen activeren. Het openen en sluiten van deze kanalen zorgt ervoor dat het elektrische potentiaal van de cel verandert. Als het potentiaal sterk genoeg verandert, geeft de cel een elektrische impuls af, een zogenaamde actiepotentiaal.

Alle synaptische activiteit is afhankelijk van ionkanalen, die de stroom van geladen ionen zoals natrium, kalium en calcium regelen. Deze kanalen spelen ook een sleutelrol in twee processen die bekend staan als langetermijnpotentiatie (LTP) en langetermijndepressie (LTD), die respectievelijk synapsen versterken en verzwakken.

De wetenschappers ontwierpen hun computerchip zo dat de transistoren de activiteit van verschillende ionkanalen kunnen nabootsen. Terwijl de meeste chips in een binaire aan/uit-modus werken, lopen de elektrische stromen op de nieuwe chip analoog door de transistoren. Een gradiënt van elektrisch potentiaal zorgt ervoor dat de stroom door de transistoren stroomt, net zoals ionen door ionkanalen in een cel stromen.

"We kunnen de parameters van het circuit zo afstemmen dat ze zich op een specifiek ionkanaal richten", zegt Poon. "Nu hebben we een manier om elk ionproces dat in een neuron plaatsvindt, vast te leggen."

De nieuwe chip vertegenwoordigt "een belangrijke stap voorwaarts in de pogingen om biologische neuronen en synaptische plasticiteit te bestuderen op een CMOS-chip [complementaire metaaloxidehalfgeleider]", aldus Dean Buonomano, hoogleraar neurobiologie aan de Universiteit van Californië in Los Angeles. Hij voegt eraan toe dat "het niveau van biologisch realisme indrukwekkend is.

De wetenschappers zijn van plan hun chip te gebruiken om systemen te creëren voor het simuleren van specifieke neurale functies, zoals het visuele verwerkingssysteem. Zulke systemen zouden veel sneller kunnen zijn dan digitale computers. Zelfs krachtige computersystemen hebben uren of dagen nodig om eenvoudige hersencircuits te simuleren. Met het analoge systeem van de chip zijn de simulaties sneller dan in biologische systemen.

Een andere mogelijke toepassing van deze chips is het personaliseren van interacties met biologische systemen, zoals kunstmatige netvliezen en hersenen. In de toekomst zouden deze chips bouwstenen kunnen worden voor apparaten met kunstmatige intelligentie, aldus Poon.