Сотрудники Курчатовского комплекса нано-, био, инфо-, когнитивных и социогуманитарных (НБИКС) и природоподобных технологий работают над созданием устройств на основе мемристоров — аналоговых микроэлектронных компонентов, способных имитировать синаптическую пластичность, которой обладают нейроны мозга. Свойство заключается в том, что синапс — контакт между нейронами — передает сигнал от одной клетки к другой с разной эффективностью. Например, при запоминании информации связи между нейронами укрепляются, и передача импульсов между ними усиливается.
Исследователи записали активность «ансамблей» нервных клеток, связанных друг с другом в модельной нейронной сети, регулирующей аналог моторной активности одной из конечностей животного. После разрыва синаптической связи между группами этих нейронов контакты-синапсы заменили мемристорами, которые «обучили» проводить сигналы с определенной пропускной способностью, сообщили в пресс-службе института.
Полимерные электрохимические мемристоры, над которыми работают ученые, изменяют свое сопротивление в зависимости от величины прошедшего через него ионного заряда. Под действием внешней электрической стимуляции и обратного сенсорного отклика от моделируемой конечности устанавливается нужное значение сопротивления: чем интенсивнее входной сигнал, тем выше пропускная способность синапса, то есть «вес» сигнала.
Стимулирующие сигналы выбирают таким образом, чтобы добиться необходимой проводимости в определенных участках нейронной сети. Это возможно благодаря тому, что скорость, с которой используемые органические мемристоры на основе проводящего полимера полианилина изменяют свое сопротивление, соответствует характерным параметрам (частоте и длительности) сигналов от биологических нейронов. Модель имитации нейронной сети для управления ходьбой в Курчатовском институте разработали несколько лет назад, но тогда это была запрограммированная система, не способная к «обучению».
Исследователям удалось добиться от мемристоров проводимости, обеспечивающей естественную передачу сигнала так, будто между группами нейронов не было разрыва.
В будущем на основе такого же принципа можно будет создать адаптивный нейропротез с мемристивными синапсами, который возьмет на себя роль поврежденного участка спинного мозга, уверены ученые. Такой протез устанавливался бы на спинной мозг и получал сигналы от стимуляции и динамическую обратную сенсорную связь от неповрежденных конечностей. В процессе получения такого обратного отклика устройство будет способно самонастраиваться и адаптироваться под конкретные моторные навыки пациента.
Самообучаемые мемристивные устройства помогут вернуть людям с повреждением спинного мозга естественную двигательную активность.
Сейчас ученые Курчатовского института работают над тестированием разработки в новых модельных условиях, еще больше приближенных к реальным.