Artificiell intelligens: ett chip har utvecklats som efterliknar hjärnans aktivitet

I årtionden har forskare drömt om att skapa ett datorsystem som skulle kunna replikera den mänskliga hjärnans talang för att lära sig nya problem.

Forskare vid Massachusetts Institute of Technology har nu tagit ett stort steg mot att uppnå detta mål genom att utveckla ett datorchip som härmar hur hjärnans nervceller anpassar sig som svar på ny information. Detta fenomen, känt som plasticitet, tros ligga till grund för många hjärnfunktioner, inklusive inlärning och minne.

Med cirka 400 transistorer kan kiselchippet härma aktiviteten hos en enda hjärnsynaps – kopplingen mellan två neuroner som underlättar överföringen av information från en neuron till en annan. Forskarna förväntar sig att chipet ska hjälpa neuroforskare att lära sig mycket mer om hur hjärnan fungerar, och det skulle också kunna användas för att utveckla neurala proteser som artificiella näthinnor, säger projektledaren Chi-Sang Poon.

Modellering av synapser

Det finns ungefär 100 miljarder neuroner i hjärnan, som var och en bildar synapser med många andra neuroner. En synaps är utrymmet mellan två neuroner (presynaptiska och postsynaptiska neuroner). Den presynaptiska neuronen frigör neurotransmittorer som glutamat och GABA, som binder till receptorer på cellens postsynaptiska membran och aktiverar jonkanaler. Öppningen och stängningen av dessa kanaler gör att cellens elektriska potential förändras. Om potentialen förändras tillräckligt dramatiskt avfyrar cellen en elektrisk impuls som kallas en aktionspotential.

All synaptisk aktivitet är beroende av jonkanaler, som styr flödet av laddade joner som natrium, kalium och kalcium. Dessa kanaler är också viktiga i två processer som kallas långsiktig potentiering (LTP) och långsiktig depression (LTD), vilka stärker respektive försvagar synapser.

Forskarna konstruerade sitt datorchip så att transistorerna kan härma aktiviteten hos olika jonkanaler. Medan de flesta chips fungerar i ett binärt på/av-läge, flyter de elektriska strömmarna på det nya chipet genom transistorerna i ett analogt läge. En gradient av elektrisk potential får strömmen att flyta genom transistorerna på samma sätt som joner flyter genom jonkanaler i en cell.

"Vi kan justera kretsens parametrar för att fokusera på en viss jonkanal", säger Poon. "Nu har vi ett sätt att fånga varje jonprocess som sker i en neuron."

Det nya chipet representerar "ett betydande framsteg i ansträngningarna att studera biologiska neuroner och synaptisk plasticitet på ett CMOS-chip [komplementärt metalloxid-halvledare]", säger Dean Buonomano, professor i neurobiologi vid University of California, Los Angeles, och tillägger att "nivån av biologisk realism är imponerande".

Forskarna planerar att använda sitt chip för att skapa system för att simulera specifika neurala funktioner, såsom det visuella bearbetningssystemet. Sådana system skulle kunna vara mycket snabbare än digitala datorer. Även högpresterande datorsystem tar timmar eller dagar att simulera enkla hjärnkretsar. Med chipets analoga system är simuleringarna snabbare än i biologiska system.

En annan potentiell användning för dessa chips är att anpassa interaktioner med biologiska system, såsom artificiella näthinnor och hjärnor. I framtiden skulle dessa chips kunna bli byggstenar för artificiell intelligens, säger Poon.