Kunstmatige intelligentie: een chip die is ontworpen om hersenactiviteit te simuleren

Vele decennia hebben wetenschappers gedroomd om een computersysteem te creëren dat het talent van het menselijk brein kon repliceren om nieuwe uitdagingen te onderzoeken.

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology hebben nu een belangrijke stap gezet naar dit doel door een computerchip te ontwikkelen die het mechanisme nabootst van aanpassing van neuronen van de hersenen in reactie op nieuwe informatie. Dit fenomeen, bekend als plasticiteit, wordt door wetenschappers verondersteld om ten grondslag te liggen aan veel hersenfuncties, waaronder leren en geheugen.

Ongeveer 400 transistoren en een siliciumchip kunnen de activiteit van één hersensynapse simuleren - een verbinding tussen twee neuronen, die de overdracht van informatie van het ene neuron naar het andere vergemakkelijkt. Onderzoekers verwachten dat deze chip neurowetenschappers zal helpen om veel meer te leren over het werk van de hersenen, en dat ze ook kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van neurale prothesen, zoals een kunstmatig netvlies, zegt projectmanager Chi-Sang-poon.

Simulatie van synapsen

In de hersenen zijn er ongeveer 100 miljard neuronen, die elk synapsen vormen met een groot aantal andere neuronen. Synaps - de kloof tussen twee neuronen (presynaptische en postsynaptische neuronen). Het presynaptische neuron scheidt neurotransmitters af zoals glutamaat en GABA, die binden aan receptoren op het postsynaptische membraan van de cel, waarbij de ionenkanalen worden geactiveerd. Het openen en sluiten van deze kanalen leidt tot een verandering in het elektrische potentieel van de cel. Als het potentieel dramatisch genoeg verandert, activeert de cel een elektrische impuls die het actiepotentiaal wordt genoemd.

Alle synaptische activiteit hangt af van de ionenkanalen die de stroom geladen ionen regelen, zoals natrium, kalium en calcium. Deze kanalen zijn ook van cruciaal belang in twee processen die bekend staan als lange termijn potentiatie (LTP) en langdurige depressie (LLC), die respectievelijk synapsen versterken en verzwakken.

Wetenschappers hebben hun eigen computerchip ontwikkeld, zodat transistors de activiteit van verschillende ionenkanalen kunnen nabootsen. Terwijl de meeste chips in binaire modus werken - "aan / uit", stromen de elektrische stromen op de nieuwe chip door de transistors in de analoge modus. De gradiënt van de elektrische potentiaal zorgt ervoor dat de stroming door de transistoren stroomt op dezelfde manier waarop de ionen door de ionenkanalen in de cel gaan.

"We kunnen de circuitparameters aanpassen voor concentratie op een specifiek ionkanaal", zegt Poon. "Nu hebben we een manier om elk ionisch proces dat plaatsvindt in het neuron vast te leggen."

De nieuwe chip is een "aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de pogingen om de studie van biologische neuronen en synaptische plasticiteit in de CMOS [complementaire metaal-oxide-halfgeleider] chip", zegt Dean Buonomano, hoogleraar neurobiologie aan de Universiteit van Californië in Los Angeles, eraan toevoegend dat "het niveau van biologische realisme , is indrukwekkend.

Wetenschappers zijn van plan hun chip te gebruiken om systemen te maken voor het modelleren van specifieke neurale functies, zoals een visueel verwerkingssysteem. Dergelijke systemen kunnen veel sneller zijn dan digitale computers. Zelfs op krachtige computersystemen zijn uren of dagen nodig om eenvoudige hersencircuits te simuleren. Met het analoge chipsysteem is simulatie sneller dan in biologische systemen.

Een andere mogelijke toepassing van deze chips, aanpassing van de interactie met biologische systemen, zoals het kunstmatige netvlies en de hersenen. In de toekomst kunnen deze chips standaardblokken voor kunstmatige-intelligentie-apparaten worden, zegt Poon.