Искусственный нейрон © Getty Images / KTSDESIGN
Ученые Саратовского университета разработали инновационный искусственный нейрон. Эта разработка, предназначенная для изучения работы мозга, нейропротезирования и развития искусственного интеллекта, отличается простотой и экономической эффективностью по сравнению с существующими аналогами. Подробности исследования были опубликованы в престижном научном издании Chaos, Solitons & Fractals.
Специалисты Саратовского национального исследовательского государственного университета (СГУ) имени Н.Г. Чернышевского создали новую версию электронного генератора нейроноподобной активности, известного как искусственный нейрон типа ФитцХью–Нагумо. В процессе работы над предыдущей моделью они сосредоточились на двух ключевых аспектах: упрощении схемы за счет сокращения количества элементов, устранения избыточных контуров и источников питания для снижения энергопотребления, а также сохранении критически важных динамических режимов, особенно импульсной активности.
Аспирант кафедры системного анализа и автоматического управления СГУ, Лев Такаишвили, объяснил, что после значительного упрощения схемы был применен новаторский подход с использованием диода в цепи операционного усилителя, что позволило существенно улучшить характеристики устройства. Для новой схемы были получены вольтамперные характеристики, а также исследована зависимость амплитуды сигнала от сопротивления потенциометра, который был использован для удобного изменения режимов генерации.
Профессор кафедры системного анализа и автоматического управления СГУ Илья Сысоев подчеркнул, что ученые прошли полный цикл разработки искусственного нейрона. Он уточнил, что разработка включает в себя математическую модель, имитационную модель, реализованную в симуляторе ngSPICE, и четыре действующих физических устройства.
Сысоев также отметил, что в ходе проекта были решены три ключевые задачи:
- Упрощение схемы: Было достигнуто значительное упрощение существующей схемы при сохранении ее базовых колебательных характеристик.
- Импульсная активность: Схема была доработана для воспроизведения более импульсной активности, характерной для живых нейронов.
- Модульность и адаптивность: Достигнута модульность, позволяющая, изменяя количество диодов, получать различные формы колебаний, имитирующие разнообразие типов нейронов мозга (например, пирамидальные, интернейроны, ретикулярные клетки).
Профессор кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии СГУ Владимир Пономаренко заявил, что данная разработка имеет широкие перспективы применения. Она может быть использована в области искусственного интеллекта, нейропротезирования и для проведения фундаментальных исследований мозга.
Пономаренко также отметил, что одной из наиболее амбициозных областей применения электронных нейронов является создание искусственной жизни. Он пояснил, что хотя полноценное аппаратное моделирование мозга млекопитающих пока невозможно из-за его сложности, создание нервных систем более простых организмов, таких как черви-нематоды или дрозофилы, становится более реальной задачей с появлением эффективных моделей искусственных нейронов. Ученые рассчитывают, что в течение 12-15 лет удастся сконструировать подобных «искусственных животных».
В дальнейших планах исследователей — совершенствование искусственного нейрона и его внедрение в комплексные системы. Это позволит решать задачи в таких областях, как биомедицина, робототехника и фундаментальная наука. Этот междисциплинарный проект потребует взаимодействия специалистов из электроники, математики, программирования, биологии и медицины.
Проект реализован при поддержке программы «МОЗГ» Фонда «Идея» и гранта Российского научного фонда (РНФ).
