Создана белковая электроника, максимально похожая на мозг

Белковые нити (светло-зелёные) бактерии G. sulfurreducens (оранжевая) позволяют мемристору (серебристый) имитировать функционирование живых нейронов (тёмно-синие).

Белковые нити (светло-зелёные) бактерии G. sulfurreducens (оранжевая) позволяют мемристору (серебристый) имитировать функционирование живых нейронов (тёмно-синие).
Иллюстрация UMass Amherst/Yao lab.

Бактериальный белок служит катализатором восстановления металла. Перевод Вести.Наука.

Бактериальный белок служит катализатором восстановления металла. Перевод Вести.Наука.
Иллюстрация Fu et al., Nature Communications (2020).

Белковые нити (светло-зелёные) бактерии G. sulfurreducens (оранжевая) позволяют мемристору (серебристый) имитировать функционирование живых нейронов (тёмно-синие).
Бактериальный белок служит катализатором восстановления металла. Перевод Вести.Наука.

Учёные создали из белковых нитей искусственные нейроны, которые ведут себя как живые аналоги. Технология обещает прорыв в создании энергоэффективных устройств с искусственным интеллектом.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, как устроена и как обучается искусственная нейронная сеть. Напомним, что такие системы в общих чертах повторяют принципы устройства мозга и используются в системах искусственного интеллекта.

Нейронную сеть можно реализовать как программу на обычном компьютере или в виде специального устройства. В последнем случае перспективными элементами для изготовления искусственных нейронов являются мемристоры. Электрическое сопротивление такого элемента зависит от того, сколько электрического заряда успело пройти по нему за время работы.

Первые мемристоры появились в 2008 году. Для работы им требовалось достаточно высокое напряжение. Спустя десятилетия экспериментов учёные создали мемристоры, работающие при обычных для современной электроники напряжениях 0,2–2 вольта.

Однако таким устройствам пока ещё очень далеко до энергоэффективности нервной системы. Ведь амплитуда электрического сигнала в нейроне составляет около 0,1 вольта. Это и позволяет мозгу, содержащему порядка ста миллиардов нейронов, потреблять всего 12 ватт мощности.

Неожиданный прорыв в этом направлении совершила группа во главе с Цзюнь Яо (Jun Yao) из Массачусетского университета в Амхерсте.

Мы уже писали о том, что эта команда работает с белковыми нитями нанометрового диаметра, которые производит бактерия Geobacter sulfurreducens. Теперь учёные нашли способ сделать из этого материала мемристоры для нейронных сетей.

"Это первое [подобное] устройство, которое может работать с тем же уровнем напряжения, что и мозг. <…>. Это концептуальный прорыв, и мы думаем, что он вызовет много исследований в области электроники, которая работает в режиме "биологического" напряжения", – говорит Яо.

Коллеги, вероятно, "даже не осмеливались надеяться", что нечто подобное удастся создать уже сейчас, добавляет учёный.

Бактериальный белок служит катализатором восстановления металла. Перевод "Вести.Наука".

Секрет в способности белков G. sulfurreducens химически восстанавливать металлы. За счёт этого процесса микробы получают энергию.

Исследователи собрали мемристор из белковых нанонитей и тонкой серебряной проволоки. По последней пропускали электрические импульсы. В результате в устройстве создавались новые разветвления и соединения волокон, которые в сто раз тоньше человеческого волоса.

Этот процесс похож на создание новых контактов между нейронами (синапсов) в нервной системе, а это и есть анатомический механизм, который отвечает за обучение мозга.

"В отличие от обычного компьютера это устройство обладает способностью к обучению, не основанной на программном обеспечении", – подчёркивает Яо.

Система работает при напряжениях 0,04–0,1 вольта, сопоставимых с напряжением на живом нейроне. Это делает её чрезвычайно энергоэффективной. Новые искусственные нервные клетки близки к своим естественным аналогам и по темпам своей работы.

Кроме того, белковые нанопроволоки стабильны в воде и биологических жидкостях, что может оказаться важным для медицины. А для своего производства они не требуют больших энергозатрат и токсичных химикатов.

Яо надеется, что однажды эти белковые нейроны удастся соединить с живыми нервными клетками.

К слову, ранее "Вести.Наука" писали о том, как биологи соединили живые и искусственные нейроны через Интернет.