Создана новая схема на основе мемристора, которая максимально точно имитирует работу синапса головного мозга - «Наука и технологии»

Выбор одного определенного изображения из тысячи является достаточно простой задачей для мозга человека. Миллиарды нейронов, соединенные еще большим количеством синапсов, быстро обрабатывают поступающую информацию и принимают решения, используя принципы параллельной обработки информации. Стремясь повторить подобные принципы, инженеры и ученые некоторое время работают с мемристорами, электронными приборами, работа которых в некотором роде подобна работе синапсов. И недавно исследователи из Массачусетского университета (University of Massachusetts) создали электронную схему на базе мемристора, которая соответствует синапсу в большей мере, нежели любая другая подобная схема.

Мемристоры являются одним из четырех основных типов радиоэлектронных приборов. Свое название они получили, из-за того, что они "помнят" в виде значения своего электрического сопротивления значение приложенного к ним электрического потенциала и время воздействия этого потенциала. Инженеры компании Hewlett-Packard, в лабораториях которой в 2008 году были созданы первые мемристоры, заметили, что свойства мемристоров подобны свойствам синаптических связей, которые усиливаются по мере их использования в процессе формирования воспоминаний.

Синаптические связи между нейронами мозга могут усиливаться или ослабляться при помощи миграции ионов кальция через клеточную мембрану нейрона в ту или иную сторону. Именно высокая концентрация ионов кальция отвечает за "силу" синаптической связи и это свойство нервных тканей очень хорошо моделируется при помощи мемристора. Но, как обнаружили ученые, для качественной имитации синаптической связи недостаточно одного мемристора, они использовали два таких устройства, включенные последовательно.

При этом, использованный учеными мемристор был не совсем обычными, он относился к классу диффузионных мемристоров (diffusive memristor), атомы резистивного материала которых способны перемещаться и без приложенного к ним электрического напряжения. В качестве этого материала выступала тонкая пленка диэлектрического материала с заключенными в ней серебряными наночастицами, которая была зажата между электродами из платины или золота. Именно эти наночастицы выполняли роль ионов кальция в экспериментах по моделированию синапсов. Исследуя движение наночастиц в слое резистивного материала, исследователи заметили поразительное сходство этого с тем, как ионы кальция выполняют свои функции в биологических системах.

Импульс напряжения, приложенный к гибридному мемристорному устройству, привел к формированию "нити" из наночастиц, которая замыкает два электрода. После снятия напряжения эта нить за счет спонтанного движения серебряных наночастиц начинала постепенно разрушаться, что приводит к постепенному увеличению сопротивления мемристора.

Вторым мемристором в цепочке гибридного устройства являлся более традиционный прибор, который способен сохранять свое сопротивление неизменным в течение длительного времени. Когда на гибридное устройство подавался импульс напряжения с определенными временными параметрами, этот искусственный синапс за счет второго мемристора формировал "длительную память". А если длительность импульса была недостаточной, то гибридный мемристор через некоторое время "забывал" о данном событии, что соответствует поведению синапса наиболее точным образом.

Следующим шагом, который намерены предпринять ученые, станет объединение искусственный синапсов в нейроморфные цепи, которые будут копировать строение некоторые из нейронных сетей головного мозга, и тщательное изучение функционирования этих цепей.