Synaptyczny chip symulujący mózg

Badacze ze słynnego amerykańskiego instytutu MIT (Massachusetts Institute of Technology), którzy badają fizykę i chemię neuronów, odtworzyli ich zachowanie na chipie synaptycznym. Chipy te są bardziej skuteczne niż proste mikroprocesory w symulowaniu zachowania mózgu, a więc pozwalają lepiej testować teorie nad jego funkcjonowaniem oraz zrealizować interfejs maszyna-mózg.

Standardowe komputery liczą w trybie numerycznym, a bardziej precyzyjnie – binarnym (serie 0 i 1). Nie można więc bezpośrednio przeprowadzić na nich rachunku różniczkowego i całkowego. Część obliczeń realizowanych przez komputer odnosi się do budowania operacji równych operacjom analitycznym (pochodne lub całki, na przykład). Trzeba oczywiście dobrze zaprogramować komputer, aby obliczał on równiania różniczkowe, o pochodnych cząsteczkowych lub całkowitych przedstawiające dany układ fizyczny.

A jednak, przez pierwsze dziesięciolecia ostatniego wieku, inżynierowie, którzy chcieli elektronicznie symulować zachowanie systemu mechanicznego - na przykład, gazu gwiezdnego tworzącego galaktykę – postępowali inaczej. Posługiwali się oni tak zwaną symulacją analogiczną, która wymaga skonstruowania nowego obwodu dla każdego systemu mechanicznego. Natomiast, z symulacją numeryczną na komputerze, wystarczy zmienić program.

Synaptyczny chip analogiczny

Możemy również posłużyć się obwodami elektronicznymi w chipach, aby wykonać symulacje analogiczne systemu fizycznego opisanego przez równania różniczkowe. I tak właśnie zrobili badacze z MIT, produkując mikroprocesor zawierający 400 tranzystorów, przeznaczonych do symulowania zachowania synapsy.

Synapsa to połączenie między dwoma neuronami. Chodzi więc tutaj o przykład chipa synaptycznego. W rzeczywistości, do lat 1950 i prac, które przeprowadził Alan Llyod Hodgkin oraz Andrew Huxley, skonstruowano modele matematyczne zachowania słynnych kanałów jonowych, odpowiedzialnych za potencjalne działanie neuronów w związku z emitowaniem i wysyłaniem neuroprzekaźników, takich jak serotonina, w szczelinie synaptycznej.

W ten sposób mamy równania różniczkowe, którymi można się posłużyć, aby opisać co się dzieje na poziomie synapsy. Ten rodzaj systemu jest symulowany analogicznie na chipie CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) naukowców z Massachusetts Institute of Technology.

Naukowcy ci próbują lepiej zrozumieć plastyczność mózgową. A ta ostatnia leży u podstaw procesów pamięciowych i uczenia.

Symulacje pozwalające przetestować teorie na temat mózgu

Być może takie chipy pozwolą nam lepiej zrozumieć patologie typu choroba Alzheimera, a także działanie niektórych molekuł mogących służyć jako leki. Podobną strategię aktualnie opracowuje Human Brain Project.

Na tę chwilę, naukowcy z instytutu MIT posłużyli się swoimi symulacjami analogicznymi synaps, aby rozwiązać problemy związane z plastycznością mózgu. A bardziej dokładnie, pochylili się nad tym, co nazywają długoterminową zapaścią synaptyczną.

Substancje endokannabinoidowe są neuroprzekaźnikami produkowanymi w mózgu. Ich struktura jest podobna do molekuły aktywnej znajdującej się w konopiach. Biorą one udział w wielu procesach biologicznych (apetyt, uczucie bólu, pamięć).

Niektórzy neurobiolodzy uważają, iż endokannabinoidy odgrywają znaczącą rolę w procesie długoterminowej depresji synaptycznej. Ale mimo że doświadczenia przyniosły na to dowody, to w dalszym ciągu brakowało demonstracji teoretycznej tego procesu.

A teraz badaczom udało się tego dokonać, ponieważ włączając receptory endokannabinoidowe do swojego modelu na chipie synaptycznym, naukowcy zaobserwowali oczekiwane cechy charakterystyczne dla długoterminowej depresji synaptycznej.

Jeśli ten model chipa może służyć jako podstawa dla rozwoju innych chipów synaptycznych naśladujących mózg, powinny one również pozwolić na postępy w realizowaniu interfejsów między komórkami biologicznymi a układami elektronicznymi, na przykład dla sztucznych siatkówek oka.