这些合成神经元使用离子来保持”记忆”,就像我们的大脑一样

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科学家已经创造了合成脑细胞的关键部分,可以容纳细胞”记忆”数毫秒。这一成就有朝一日可能导致计算机像人脑一样工作。

这些部分用于模拟人工脑细胞,使用称为离子的带电粒子产生电信号,就像信息在大脑神经元之间传输一样。

目前的计算机可以做令人难以置信的事情,但这种处理能力来高能源成本。相比之下,人脑效率非常高,它使用两根香蕉中所含的能量做一整天的工作。

虽然这种效率的原因并不完全清楚,但科学家已经推断,如果他们能使计算机更像人脑,就需要更少的能量。

科学家试图复制大脑生物机械的一种方法是利用离子的力量,离子是大脑赖以产生电力的带电粒子

人造神经元VCncntZZn6ZWuTiwZDzigV 970 80(保罗·罗宾,巴黎大学/巴黎大学)

上图:研究人员的人工神经元原型。

在8月6日发表在《科学》杂志上的这项新研究中,法国巴黎国家科学中心的研究人员创造了一个人工神经元的计算机模型,这种模型可以产生与神经元用于传输大脑信息的电信号相同的电信号:通过通过细小的水道发送离子来模仿真正的离子通道,研究人员可以产生这些电峰值。

现在,他们甚至创建了一个物理模型,将这些渠道整合为未发表的持续研究的一部分。

“据我所知,这是人们第一次用离子来做这件事,”研究合著者、苏普里厄学院物理学家莱德里克·博克特说。

在更精细的层面上,研究人员创建了一个模拟产生动作潜力过程的系统——神经元产生的电活动峰值是大脑活动的基础。为了产生行动潜力,神经元开始释放出更积极的离子,这些离子被细胞内的负离子所吸引。

电能或细胞膜上的电压导致称为电压门离子通道的电池的门道打开,在电池达到峰值并在几毫秒后恢复正常之前,电荷会进一步提高。然后,信号被传输到其他细胞,使信息在大脑中传播。

为了模仿电压门离子通道,研究人员在石墨烯片之间模拟了一层薄薄的水,石墨烯是极其薄的碳片。模拟中的水层是一、二或三个分子的深度,研究人员将其描述为准两维狭缝。

Bocquet说,研究人员希望利用这种二维环境,因为粒子在两个维度上的反应往往比在三维中反应更强烈,而且它们在两个维度上表现出不同的特性,研究人员认为这可能有助于他们的实验。

“在物理学中,两个维度是非常奇怪的,”博克特说。”所以你期望新事物发生。

研究人员在计算机模拟中测试了该模型,发现当他们在通道上应用电场时,水中的离子形成了蠕虫状结构

当团队在模拟中应用更大的电场时,这些结构会慢慢分解,留下一个”记忆”,或拉长配置的暗示。

当研究人员运行一个模拟连接两个通道和其他组件来模仿神经元的行为时,他们发现该模型可以产生电活动峰值,如行动潜力,并且它”记住”了两种不同状态的一致特性——一种是离子的电量更大,另一种是电能较少的状态。

在这个模拟中,离子先前状态的”记忆”持续了几毫秒,大约与它需要真正的神经元产生行动潜力并恢复到休息状态的时间大致相同。

对于离子来说,这是相当长的时间,离子通常以纳秒或更少的时间尺度运行。在真正的神经元中,动作潜力等同于神经元的细胞记忆:我们的大脑使用离子通道的打开和关闭来创建这种记忆。

博克特说:”我们最终有着相似的记忆,但这种现象的原因却大相径庭。

制作”内存”

新型号是一种称为记忆器或内存电阻器的电子元件版本,具有保留历史信息的独特特性。但是现有的体商不像大脑那样使用液体。

乔治·华盛顿大学电气和计算机工程助理教授吉娜·亚当(Gina Adam)没有参与这项研究,他说:”我与文学界人士共事的典型回忆者是固态的回忆者。亚当补充说,这项关于制造流体体体的新研究”非常有前途,非常耐人寻味”。

她还说,虽然实用的类似大脑的计算机可能还有很长的路要走,但这项研究也可以帮助科学家更好地了解大脑如何处理信息,并开发类似大脑的计算新理论。

Bocquet说,自从通过计算机模拟进行这项研究以来,他和英国曼彻斯特大学的合作者已经将他们的理论变为现实,用它来制造一个人工突触,这是传递电信号的神经元的一部分,他们已经开始用它进行实验。

“这是令人兴奋的,因为它现在是一个游乐场,”博克特说。”我们可以积极探索这些事情。

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