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本文来自微信民众号:神经现实(ID:neureality),作者:Rebecca Sohn,翻译:eigen_user,审校:Orange Soda,原文问题:《人工神经元再进一步,存储影象已成现实》,题图来自:unsplash


科学家们构建出了一种合成脑细胞的要害部门,这些合成细胞能在毫秒级别上留存影象,这一功效在未来可能会使类脑盘算机成为现实。


这些合成出的要害部门接纳离子来发生电信号——与我们大脑中神经元传输信息的方式相同。


现在的盘算机可以做许多不能思议的事,然则这依赖于相当高的能耗;与之相反,人脑却格外高效——约莫两个香蕉提供的能量就可以支持它一天的事情。科学家们推测,若是我们能制作出像人脑一样的盘算机,盘算机的能耗会大大降低(虽然这背后的机制还并不清晰)而复刻人脑生物机制的一种方式就是像大脑一样行使离子去发生电流。


人工神经元


在这项于8月6日揭晓在《科学》期刊上的研究中,来自法国巴黎国家科学研究中央(Centre national de la recherche scientifique)的科研职员们构建了一小我私人造神经元的盘算机模子。和大脑中的神经元一样,这个模子可以用电信号传输信息。研究者运送离子跨越水薄层,以此来模拟真实的离子通道;云云,这些人造神经元能够发生和大脑中神经元一样的电发放。现在,在一项正在举行且尚未揭晓的事情中,他们甚至还构建了带有这些离子通道的实体模子


“就我所知,这照样人们第一次用离子做到了这些。”这项研究的配相助者、来自巴黎高等师范学院(École Normale Supérieure)的物理学家莱德里克·博凯(Lydéric Bocquet)说道。


人造神经元模子

Paul Robin, ENS Laboratoire de Physique (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Université de Paris)


在更精致的层面上,研究职员构建了一个系统来模拟动作电位的发生(动作电位即神经元的电发放流动,是大脑行为的基础)。神经元在发生动作电位之前细胞膜处于静息电位(静息电位下细胞膜处于极化状态,膜电位内负外正)。当刺激引起细胞外的阳离子内流时,细胞膜发生去极化。当去极化到达阈值时电压门控的离子通道会开放,使得更多的阳离子进入细胞,直到膜内电位到达最大值后重新极化(朝着静息电位的偏向极化历程中可能还会跨越静息电位的绝对值,这被称为超极化),这一历程历时几个毫秒。


为了模拟电压门控的离子通道,研究职员对两层石墨烯之间的水薄层举行了建模。在模拟中,研究者划分以一个水分子、两个水分子、三个水分子的厚度对水层举行建模,而且将水层表征成了准二维的狭缝*。博凯指出,研究职员之以是使用二维的环境举行模拟,是由于微粒在二维环境下所受的作用更强,而且会展现出与三维环境中完全差其余性子。研究职员以为这两种特征或许对他们的实验有辅助。


“在物理学中,二维是不常见的”,博凯说道,“以是你可以期待一些新发现。”

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在对这个模子举行盘算机仿真测试时,科研职员发现:当给离子通道施加一定的电场时,水中的离子会形成一种蠕虫状的结构;当施加更强的电场时,这些结构会以足够慢的速率剖析,从而留下某种影象(或是说关于这种长型结构的某种信息)


当研究者把两小我私人造离子通道和一些其他的部件毗邻起往复举行模拟时,他们发现这个模子可以发生类似于动作电位的电发放,而且它还可以“记着”统一种属性的两种差异状态——一种是离子导电率高的状态,另一种是导电率相对低的状态。在这次模拟中,关于离子状态的影象留存了几毫秒。这差不多就是真实神经元从发生动作电位到恢复静息状态所需的时间。对于离子来说,这已经是相当长的时间了,由于它们的流动时间尺度通常都是在纳秒级别甚至更短。在真实神经元中,动作电位就等同于神经元的细胞影象;我们的大脑通过打开和关闭离子通道去缔造这样的影象。


“最后我们获得的模子和现实中的影象十分相似,然则这个征象背后的机制十分差异。”博凯说道。


组装“影象”


这个新模子是基于一种叫做“影象电阻”的电子元件。它有一种怪异的特征:它可以从已往的流动中留存信息。不外现有的影象电阻并不像人脑一样使用液体作为流动基础。


“我和学界其他人接纳的影象电阻,都是典型的凝聚态影象电阻。”来自乔治华盛顿大学电子盘算机工程系的助理教授吉娜·亚当(Gina Adam)说道,她并未介入到此次研究中。她弥补说,这项新研究中的液态影象电阻“很有生长远景,也很有趣”。


她还指出,这项研究可以辅助科学家更好地明晰大脑处置信息的历程,生长出类脑盘算的新理论——只管我们可能离适用的类脑盘算机尚有很长一段路。


博凯说,他和他在曼彻斯特大学的相助者们已经用盘算机模拟了人工突触(神经元之间通报电信号的部门)。这一手艺的应用让他们的理论付诸实现,而且他们已经最先在人工突触上做实验了。


“这像一个游乐场一样,令人十分兴奋”,博凯说,“我们现在可以自动地去探索这些器械了。”


*译者注

凭证原论文,该狭缝之以是为“准二维”,是由于两层石墨烯之间的距离限制了离子的纵向运动,而且由成对作用势(pair-wise interaction potential)可以导出,当两个离子间距小于某一值时,其相互作用急剧增大,在“准平面”内的作用远远大于纵向作用。因此,该狭缝内的离子可以近似看作在一个平面(二维)内运动。然则该狭缝仍有厚度,以是被称为“准二维”。


原文:https://www.livescience.com/artificial-neurons-memories.html


本文来自微信民众号:神经现实(ID:neureality),作者:Rebecca Sohn

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