化学家在微芯片上搭建神经元电路,光子神经元

核心提示:研究人脑神经网络的通讯和协调运作,是现代神经科学领域最大的挑战之一。据美国物理学家组织网7月13日报道,最近,以色列特拉维夫大学电力工程学院开发出一种新型芯片实验室平台,利用先进材料和组织工程技术将神经元和电子学结合起来,研究脑神经网络的工作原理研究人脑神经网络的通讯和协调运作,是现代神经科学领域最大的挑战之一。据美国物理学家组织网7月13日报道,最近,以色列特拉维夫大学电力工程学院开发出一种新型芯片实验室平台,利用先进材料和组织工程技术将神经元和电子学结合起来,研究脑神经网络的工作原理。研究论文发表在最新一期《科学公共图书馆·综合》上。

核心提示:据美国物理学家组织网7月19日报道,美国普林斯顿大学和航空与国防技术公司洛克希德·马丁公司合作,正在进行一项名为“光子神经元”(photonic neuron)的计划,旨在用一种光纤计算设备模拟脑神经网络的运算模式,开发出一种几乎瞬间就能作出决策的数字系统。据美国物理学家组织网7月19日报道,美国普林斯顿大学和航空与国防技术公司洛克希德·马丁公司合作,正在进行一项名为“光子神经元”(photonic neuron)的计划,旨在用一种光纤计算设备模拟脑神经网络的运算模式,开发出一种几乎瞬间就能作出决策的数字系统。该计划开始于2008年,由普林斯顿电学工程教授鲍尔·布拉克诺和洛克希德·马丁公司先进技术实验室基础工程师、神经科学家大卫·罗森布鲁斯领导。

以色列特拉维夫大学电力工程学院博士生马克·史恩说,计算机的逻辑运算建立在人类逻辑的基础上,但计算机的信息处理过程能分解成单个逻辑步骤,而人脑的信息处理过程却不可以。人脑由大量的电路互相连接而成,脑电路工作就像在编码,我们可以通过简化脑神经网络,控制细胞之间的连接,来研究人脑逻辑。

无论是大脑中的还是外围神经系统中的神经元,都和其他神经元互相连接,通过电脉冲彼此沟通。神经元接收到一个电脉冲,然后决定是否发出自身信号,把信息传给余下的网络。这就是神经计算的基础。

研究人员利用电极和活的神经细胞连接成一种特殊结构,让其在培养皿中生成各种大小不同的神经网络和网络群,并通过一种芯片实验室技术,在芯片上激活神经元电路,观察神经网络在不同化学信号和外部条件下的反应。

在紧急时刻,人或动物都要迅速作出决策:如一只瞪羚被一只非洲猎豹追逐时,必须在瞬间决定向左跑还是向右跑;面对飞过来的棒球,棒球选手也必须在几分之一秒内根据各种迹象判断如何挥击。这种脑神经网络在生死关头的刹那计算,为光子计算的工作原理提供了线索。

通过施加外部刺激,如一道亮光,研究人员能监控视觉神经元的反应。“我们认为这一过程采取了编码策略。”史恩说,相对简单的神经“点亮”方式能被耳朵、眼睛等感官接受,但对更复杂的过程,如“思想”过程或不同的感受器官同时输入、输出,基本还是个黑箱。

“我们正在把各种典型的神经信息处理方式,如学习、抑制行为转移到光纤电路中,但这不是在努力复制大脑中的东西,而是模拟大脑中的运算,并以计算机的纯数字系统方式实现。”罗森布鲁斯说。

研究单个神经元的活动还难以理解整个神经网络的功能,史恩和导师约尔·汉恩教授、物理与天文学院的埃希尔·本-雅可布教授进一步对更大的神经网络电路进行了观察,以寻找大脑信息编码的基本元素。他们利用纳米技术系统工具,同时探测多个神经元的活动方式,特别探测了在大量神经会合的节点处多个神经群之间的沟通联系。

此外,研究人员也一直在寻找突破电路本身速度限制的方法。如果使用电流,信息处理速度还要受导线电阻这一终极限制,如果不用电导线而用光纤,信息就能以接近光速传播。在传统光纤通讯中,只在远距传输过程中以光的形式传输信息,到达目的地后还要经过信息转换过程将光子信息转换为电子来处理。而在新实验中,仍以光代码形式来处理信息,这要比用电流快得多。

他们在观察这些神经群的时候发现,这些神经群的反应是只凭单个神经元无法预测的,这表示神经网络有一个等级结构,大网络由更小的次级网络构成。研究人员解释说,一个神经群要能支持神经网络的活动,并与其他群互相通讯,这最少需要40个神经元,才能完成其在功能网络中的各种任务。

尽管模拟神经网络的运算模型和光纤网络所用的有很多不同的变量,但它们在整体方程上非常相似。“当我们输入方程后,它们确实能运行起来。”布拉克诺说。

研究人员还表示,他们开发的工具也可以用来测试新药,或作为一种先进的人工智能,并帮助连接大脑和人造义肢。

研究人员指出,借用神经电路的计算概念,是为了突出它能帮助人们和组织机构作出超快决策。如果该项目成功,会让计算机几乎瞬间就能完成计算。比如在危急时刻,能通过无线电信号找出恐怖分子,让喷气机决定是否弹出驾驶员;还能迅速处理大量数据,比如通过视频信号操纵无人驾驶汽车,审查基因数据找出对抗疾病的线索等

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