쥐의 다리에 부착된 반투명 칩은 뉴런처럼 보이지 않았다. 일련의 센서와 채널이 점재하고 사람의 손가락보다 작으며 반창고처럼 보이고 구부러져 있습니다. 그러나 도파민을 주입했을 때 칩은 마법을 발휘했습니다. 쥐의 다리가 경련을 일으키고 늘어나기 시작했습니다. 칩은 도파민의 투여량에 따라 꼭두각시처럼 팔다리를 제어했다.
이 칩은 인공 뉴런이지만 뇌의 전기 신호를 모방하도록 만들어진 이전 칩과 다를 바가 없습니다. 오히려 뇌의 다른 커뮤니케이션 채널인 화학 물질을 채택하고 적응시킵니다.
신경전달물질이라고 불리는 이 화학물질은 뇌의 "자연어"입니다. 말했다 중국 난징 의과대학의 Benhui Hu 박사. 화학적 언어를 사용하는 인공 뉴런은 이론적으로 쉽게 신경 회로를 활용할 수 있습니다. 예를 들어 쥐의 다리를 조종하거나 완전히 새로운 뇌 제어 보철 또는 신경 임플란트 제품군을 구축할 수 있습니다.
새로운 연구 싱가포르 Nanyang Technological University의 Hu와 Dr. Xiaodong Chen이 이끄는 이 연구는 인공 및 생물학적 뉴런을 반생명 회로에 매끄럽게 연결하는 데 오랜 진전을 보였습니다. 에 의해 구동 도파민, 설정은 한 구성 요소가 다른 구성 요소를 활성화하는 단순한 단방향 호출이 아닙니다. 오히려 인공 뉴런은 여러 생물학적 대응물과 루프를 형성하여 자신의 행동을 변경하기 위한 피드백을 수신하면서 도파민을 방출합니다.
어떤 면에서 시스템은 신경 회로를 미세 조정하기 위해 뇌에서 의사 결정자 역할을 하는 인터뉴런과 같은 역할을 합니다. "기억과 감정을 포함한 지능 정보의 상당 부분은 신경 전달 물질과 같은 화학 분자로 암호화되거나 전달되며, 우리는 실제 뉴런이 통신하는 방식을 모방하는 인공 뉴런을 만들고 싶었습니다."라고 저자는 말했습니다.
이야기의 반대편
신경망에 대한 고전적인 이야기를 들어보셨을 것입니다. 뉴런은 전기 충격을 받아 구불구불한 가지를 따라 이동합니다. 신호가 충분히 강하면 다음 뉴런을 활성화하거나 억제하여 두 뉴런을 네트워크로 연결합니다. "함께 발화하고 함께 연결되는 뉴런"으로 대중화된 이 신경과학 도그마는 많은 이론의 기초입니다. 신경형 칩 저에너지 및 고효율 계산을 위해 이 전기적 단점을 리버스 엔지니어링하기 위해 제작되었습니다.
이러한 활동의 데이터 또는 "메모리"는 다음 위치에 저장됩니다. 시냅스. 나는 이 복잡한 구조를 두 개의 강둑과 그 사이에 흐르는 시내로 상상하고 싶습니다. 한 은행은 신호를 보내는 뉴런의 일부이고 다른 은행은 수신 뉴런의 일부입니다.
그러나 신호가 스트림을 가로 지르는 데 도움이되는 것은 무엇입니까?
신경전달물질을 입력합니다. 뉴런이 수신하는 전기 신호를 통합하면 펄스가 시냅스에 도달할 때까지 가지를 따라 이동합니다. 여기에서 신호는 신경 전달 물질로 채워진 수십 대의 "보트"(작은 비누 방울 그림)가 다른 은행을 향해 출발하도록 지시합니다. 일단 도킹되면 화학 물질은 보트에서 하역하여 다운스트림 뉴런에서 또 다른 전기 신호를 트리거합니다. 그리고 그 주기는 뇌의 복잡한 네트워크를 계속 연결합니다.
화학 컴퓨팅은 신경 임플란트를 만들 때 종종 무시되지만 전기 신호에만 집중하는 것은 운송 경로를 계획할 때 대양 횡단 화물 경로를 무시하는 것과 같습니다.
"이 불일치는 잠재적으로 전송된 뉴런 정보의 잘못된 해석으로 이어질 수 있습니다." 잠재적으로 뇌 인터페이스를 잘못 이끌 수 있다고 팀이 말했습니다.
예술 작품
새로운 연구는 인공 뉴런에 화학적 추론을 다시 도입했습니다. 수많은 잠재적인 신경 전달 물질 후보를 조사하면서 팀은 동기를 부여하고 보상을 암호화하며 움직임을 제어하는 멀티태스커인 도파민에 집중했습니다. 인공 뉴런의 별.
이 칩에는 실제 뉴런을 모방하는 세 가지 주요 구성 요소가 포함되어 있습니다. 즉, 도파민을 감지하고 결과 신호를 "시냅스" 내부에 인코딩하고 도파민을 이웃으로 방출합니다.
첫 번째 부분은 생물학적 수준에서 도파민을 감지할 수 있는 전기화학 센서입니다. 일정량의 산화 그래핀이 뿌려진 탄소 나노튜브로 만들어진 나노구조는 물을 흐리게 하는 다른 생물학적 화학 물질이 있더라도 주변 환경에서 아주 작은 도파민 조각을 포착하는 데 특히 효율적입니다.
일단 감지되면 데이터는 전기 펄스로 다음 구성 요소인 멤리스터로 전송됩니다. 시냅스처럼 멤리스터는 이전 활동에 따라 저항을 변경하는 기능이 내장되어 있습니다. 즉, "메모리"가 있습니다. 저항이 높을수록 전기 신호를 더 적게 보낼 수 있습니다.
이 장치는 이국적으로 들릴지 모르지만 (매우 비싼) 치즈 샌드위치를 상상해 보십시오. 두 조각의 빵은 은과 금 나노 입자로 만들어졌으며 "치즈"는 멤리스터의 저항을 조정하는 실크 단백질입니다. 깔끔한 설정입니다. 구성 요소는 "시냅스"의 장단기 변화를 모두 지원할 수 있으며, 빠르게 마음을 놓거나 뇌에 새겨져 있는 기억을 모방합니다.
배움의 징조입니다. 저자는 "이는 시스템이 반복되는 자극과 더 강한 연결을 형성했으며 새로운 자극에 비해 친숙한 자극에 더 민감하다는 것을 의미한다"고 말했다.
그러면 정말 멋진 부분이 나옵니다. 저항에 따라 멤리스터는 하이드로겔을 가열하여 미리 에칭된 나노채널로 도파민을 방출할 수 있습니다.
모든 것을 합치면 칩은 생물학적 뉴런처럼 작동합니다. 도파민으로 자극되면 "시냅스"에서 인코딩되는 전기 신호를 생성합니다. 신호가 충분히 강하면 이웃에 도파민을 펌핑합니다.
할 일이 무엇이 남았습니까? 살아있는 뉴런으로 테스트해보세요.
바이오 하이브리드 브리지
첫 번째 온전한 검사로 팀은 PC12라고 불리는 도파민을 방출하는 능력이 있는 세포의 배양 접시 안에 칩을 넣었습니다.
뉴런이 활성화되는 방식을 모방하여 세포가 도파민을 방출하도록 하는 짠 혼합물을 펌핑했습니다. 갑작스러운 유입에 놀라 "깨어", 활동으로 급증한 인공 뉴런은 차례로 자신의 PC12 이웃에게 도파민의 자체 용량을 펌핑합니다. 일단 도파민으로 목욕을 하면 생물학적 세포는 그에 대한 반응으로 전류를 변경했습니다(화학 물질이 인공 뉴런에서 나온 것보다 더 현명하지 않음).
이러한 유형의 신경 잡담은 중간 뉴런과 유사합니다. 이름에서 알 수 있듯이 이 뉴런은 사다리의 가로대처럼 작동하여 신경망을 연결하고 회로의 활동을 개선하는 데 도움이 됩니다. 여기에서 인공 뉴런은 신경망을 형성하고 활동을 일정하게 유지하는 일종의 "트래픽 컨트롤러"인 인터뉴런으로 작동합니다.
한 단계 더 나아가 연구팀은 칩을 쥐의 다리 신경에 연결했습니다. 도파민의 양에 따라 다리는 마치 아침 스트레칭을 하듯 휘어지고, 칩에 화학물질이 증가할수록 다리는 더 넓어진다. 또 다른 개념 증명에서 팀은 칩을 로봇 손에 연결했습니다. 칩에 있는 도파민의 양을 조절함으로써 팀은 화학적으로 유도된 "악수"로 로봇을 제어할 수 있었습니다. 이는 오로지 도파민에 의해서만 구동되는 기계식 손목의 아래쪽 깜박임입니다.
과학자들이 화학 기반 뉴런을 조작한 것은 이번이 처음이 아닙니다. 다시 2020, Stanford의 팀은 인공 뉴런을 분리된 생물학적 뉴런과 연결하여 인공 뉴런이 도파민을 방아쇠로 사용하는 생물학적 뉴런과 혼성화할 수 있음을 보여주었습니다.
여기서 차이점은 피드백 기능입니다. 새로운 설정은 도파민을 수신 및 방출할 수 있는 뉴런과 함께 루프를 형성하는 동시에 네트워크의 "메모리"를 변경합니다. 현재로서는 인공 뉴런이 정보를 전달할 수 있는 '메신저 브리지' 역할에 가깝습니다. 저자는 각 구성 요소를 축소하고 에너지 소비를 줄이기 위해 노력하고 있지만 설정은 여전히 뇌 이식에 너무 부피가 크다.
저자에게 화학적 및 전기적 뉴로모픽 칩은 둘 중 하나가 아닙니다. 결국 뇌도 그렇지 않다.
“이러한 화학적 BMI[뇌-기계 인터페이스]는 전기적 BMI를 보완하여 잠재적으로 신경 보철, 인간-기계 상호 작용 및 사이보그 구성에 사용하기 위해 신경 정보를 정확하고 종합적으로 해석할 수 있습니다.”라고 저자는 말했습니다.
이미지 신용 : kts 디자인 / Shutterstock.com
