Kompiuteriu mikroschema primena, kaip musu neuronai prisitaiko prie naujos informacijos

Kuriant kompiuterine sistema, kuri gali atkartoti zmogaus smegenu gebejima mokytis nauju uzduociu, mokslininku svajone buvo desimtmecius. Siuo metu MIT tyrejai yra vienas milziniskas zingsnis arciau realizuojant sia svaja sukuriant kompiuterine lusta, kuri suformuluoja, kaip smegenu neuronai prisitaiko prie naujos informacijos. Manoma, kad sis procesas, vadinamas plastiskumu, yra daugelio smegenu funkciju pagrindas, pvz., Atmintis ir mokymasis. Si savaite Nacionalines Mokslu Akademijos isvadas pateiks vyresnysis autorius Chi-Sang Poon.
Silicio mikroschema, turinti mazdaug 400 tranzistoriu, gali imituoti vienos smegenu sinapses veikla. Sinapse yra rysys tarp dvieju neuronu, lasteliu, kurios specializuojasi perduoti signalus i atskiras tikslines lasteles, o sinapse yra tai, kaip jos tai daro.
Sveikatos mokslu ir technologijos Harvardo MIT skyriaus pagrindinis mokslinis bendradarbis Chi-Sang Poon sako, kad jie tikisi, kad sis lustas pades neurologams ismokti daugiau informacijos apie tai, kaip veikia smegenys. Lusta taip pat galima panaudoti nervu protezavimo irenginiuose, pavyzdziui, dirbtiniuose tinklainiuose.

Sinapsu modeliavimas

Smegenyse yra apie 100 mlrd. Neuronu, kuriu kiekvienas sudaro sinapses su daugeliu kitu neuronu. Sinapis yra tarp dvieju neuronu esantis skilimas (tarpelio jungtis), kuris vadinamas presineaptiniu neuronu, o kitas - postsinaptiniu neuronu. Presineaptinis neuronas isskiria neurotransmiterius, t. Y. Glutamata ir GABA, kurie jungiasi prie postsynaptiniu lasteliu membranos receptoriu, aktyvuojantys joninius kanalus, kurie gali islaikyti elektros srove.
Lasteles elektros potencialas pasikeicia, atidarant ir uzdarant siuos jonu kanalus, todel presinaptineje lasteleje sukelia itampos pokycius, kad sukeltu itampos pokycius postsynaptineje lasteleje. Sis elektros impulsas vadinamas veiksmu potencialu.
Visas sinapsinis aktyvumas priklauso nuo tu jonu kanalu, kurie kontroliuoja ikrautu atomu srauta, t. Y. Natri, kali ir kalcia. Sie jonu kanalai yra svarbus dviems procesams, pvz., Ilgalaikiam potencijavimui (LTP), kuris sustiprina sinapses ir ilgalaike depresija (LTD), kuri silpnina sinapses.
MIT mokslininkai kompiuterio lusta sukure taip, kad tranzistoriai galetu imituoti skirtingu jonu kanalu veikla. Palyginus su dauguma lustu, kurie veikia dvejetaineje, ijungimo / isjungimo rezimu, mokslininkai sukure nauja smegenu lusta taip, kad srove teketu tranzistoriuose analogiskai, o ne skaitmeniniu budu, su elektros potencialo gradientu, vercianciu srove teketi per tranzistoriai panasus i jonus, tekancius per jonu kanalus lasteleje.
Ponas komentarai:

"Mes galime iveikti grandines parametrus, kad atitiktu konkrecius jonu kanalus. Dabar turime buda uzfiksuoti kiekviena jonini procesa, kuris vyksta neuronuose".

Pries tai mokslininkai naudojo sukurti grandines, kurios galetu tik imituoti veiksmu potencialo saudyma be visu aplinkybiu, kurios sukuria potenciala. Ponas priduria:

"Jei tikrai norite, kad realiai imituoti smegenu funkcija, jus turite padaryti daugiau nei tiesiog spiking. Turite uzfiksuoti intracellular procesus, kurie yra pagristi jonu kanalais."

MIT mokslininkai tikisi, kad ju lusta bus galima naudoti kuriant sistemas, kad butu galima sukurti konkrecias neuronines funkcijas, pvz., Vaizdo apdorojimo sistema, kuri butu zymiai greitesne nei skaitmeniniai kompiuteriai. Simuliuoti paprasta smegenu grandine gali uztrukti kelias valandas ar dienas net dideles talpos kompiuterinese sistemose, tuo tarpu modeliavimo su analogine lustine sistema sistema yra dar greitesne nei biologine sistema.
Pasak "Poon", kitais potencialiais budais gali buti naudojamos statybines lustai, kurios gali buti saveikos su biologinemis sistemomis, o tai gali buti naudinga potencialiam smegenu ir nervu protezavimo prietaisu, pvz., Dirbtiniu tinklainiu, rysiui. Netolimoje ateityje sie lustai taip pat galetu buti dirbtinio intelekto prietaisu blokais.

Diskusija isspresta

Lusta jau naudojosi MIT komanda, siekdama pasiulyti isspresti ilgalaikes diskusijas apie tai, kaip "LTD" veikia.
Pagal viena hipoteze, LTD ir LTP priklauso nuo postinaptiskos lasteles stimuliuotu veikimo potencialu daznio. Taciau naujausia teorija rodo, kad veiksniu potencialu atvykimo i sinapse laikas yra pagrindas, nuo kurio priklauso ilgalaikis potencialas ir ilgalaike depresija, nes abi reikalauja itraukti jono kanalus, zinomus kaip NMDA receptoriai, kurie aptinka postsynaptinis aktyvinimas.

Dar viena naujausia teorija leidzia manyti, kad abu modeliai gali buti vieningi, jei antrojo tipo receptorius dalyvautu nustatant sia veikla. Vienas galimas antrosios receptoriaus kandidatas yra endo kanabinoidu receptorius.
Galutiniai kanabinoidai, panasus i marihuanos struktura, gaminami smegenyse ir atlieka ivairias funkcijas, pavyzdziui, skausma, apetita ir atminti. Remiantis kai kuriu mokslininku teorijomis, jei endnukanibinoidai, kurie gaminami postsinaptiskoje lasteleje, yra isleidziami i sinapse, jie aktyvuoja presineaptinius endokanibinoidu receptorius, o LTD pasireiskia, jei tuo paciu metu aktyvus NMDA receptoriai.
Mokslininkai sugebejo tiksliai imituoti tiek SIA, tiek LTP, itraukdami tranzistorius i ju lusta, kuris modeliuotu endo kanabinoidinius receptorius. Ponas pareiske, kad, nepaisant ankstesniu eksperimentu, iki siol "niekas nepadare viso to kartu ir nepateike skaiciavimo rezultatu, kad is tikruju tai veikia, ir taip tai veikia".
Tyrima vadovavo Chi-Sang Poon, pagrindinis mokslinis bendradarbis Harvardo MIT sveikatos mokslu ir technologijos skyriuje, kartu su Guy Rachmuth, buves posto daktaras Pono laboratorijoje, pagrindinis autorius.Kiti autoriai yra Markas Likas, MIT neurologijos "Picower" profesorius ir Teksaso medicinos mokyklos universiteto Harelas Shouvalas.
Parase Petra Rattue