Золотые нейроны

Какое бы воодушевление ни вызывали у нас электронные процессоры, до уровня человеческого мышления им все же еще далеко. На сегодняшний день они способны осуществлять лишь ряд определенных операций, но, когда дело доходит до нестандартных задач, машины «впадают в ступор». Это объясняется тем, что в человеческом мозге миллиарды нейронов и имитировать его работу очень сложно, даже если речь идет о так называемых нейроморфных процессорах. Однако недавно команда специалистов из МФТИ и МГУ имени М.В.Ломоносова предложила решение, которое дает надежду, что рано или поздно мы получим искусственный аналог живого мозга со всеми соответствующими функциями.

Если вы когда-либо интересовались тем, как работает наш мозг, то, конечно, знаете, что для самого простого действия или мысли требуется выстраивание определенной нейронной цепочки. От того, насколько удачно она выстроена, зависит результат. Если нейронная связь не сработает, вы не сможете даже пошевелить пальцем. При некоторых проблемах со здоровьем мозг просто не способен отдавать команды телу, а при деменции и тому подобных заболеваниях нейронные связи вообще нарушаются.

Несколько лет назад специалистам из Томского государственного университета совместно с зарубежными коллегами из пяти стран удалось создать искусственную копию человеческого мозга. Она, как и естественный мозг, способна к самообучению, а также на ней можно моделировать различные патологические состояния и расстройства памяти с целью разработки механизма их лечения.

Проект был реализован международной лабораторией центра превосходства «Интеллектуальные технические системы». Сначала ученые построили математическую и компьютерную модели мозга человека. После этого они сконструировали радиоэлектронный прибор, содержащий перцептроны (искусственные нейронные сети). «Он способен обрабатывать разноплановую информацию, такую как видео и звук», – прокомментировал один из разработчиков профессор Владимир Сырямкин.

«Нам удалось приоткрыть тайну мозговой нейронной сети, – сообщил прессе еще один член команды разработчиков Владимир Шумилов. – В нашей физической модели, как и в головном мозге человека, происходят образование новых нейронных связей и затухание уже имеющихся. У человека это является процессом забывания».

Итак, искусственные нейросети существуют уже довольно давно, но проблема в том, что для работы каждого кибернетического нейрона необходимо около 20 транзисторов. Это приводит к повышенному потреблению энергии и выделению большого количества тепла, что нежелательно. Не говоря уже о затратах прочих ресурсов на создание таких сетей. Но российские ученые утверждают, что придумали, как решить данную проблему. Они предложили использовать нанопроводы из золота. Статья об этом была опубликована в журнале Nanomaterials.

«Лучшие на сегодня нейроморфные системы имитируют сети, состоящие примерно из одного миллиона нейронов и четверти миллиарда синапсов, – говорит директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров. – Однако самые амбициозные биологические проекты ставят цели достичь 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов. Стремление к такой высокой сложности требует решений на основе новых физических принципов передачи и обработки сигналов. Мы исследовали двух- и трехпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры с джозефсоновскими контактами на основе золотых нанопроволок».

Джозефсоновским переходом называют контакт двух сверхпроводников, осуществляемый через слой диэлектрика. Когда переход переключается, происходит строго дозированный всплеск напряжения, по параметрам близкий к импульсам в нейросети живого мозга. Для имитации работы одного «человеческого» нейрона требуются пара таких переходов и золотая нанопроволока. Это позволяет сэкономить потребление энергии. Для достижения нужного эффекта требуется всего лишь охладить нейронные массивы до криогенных температур, то есть значений, близких к абсолютному нулю.

Первый нейрон такого типа был создан при поддержке Российского научного фонда. При его создании были задействованы два джозефсоновских контакта. Это на порядок меньше, чем в нейроморфных процессорах с использованием транзисторов. Скажем, нейроморфный процессор Intel Loihi II состоит из 1 миллиона искусственных нейронов и 2,3 миллиарда транзисторов.

Исследователи подсчитали, что на основе новой разработки можно будет создавать массивы, состоящие из нескольких миллиардов кибернетических нейронов и при этом не выйти за рамки разумного бюджета.

Если процессоры Intel Loihi II по составу и функциям аналогичны мозгу насекомых, то новинка будет соответствовать мозгу медведя (9,5 миллиарда нейронов) или жирафа (10,75 миллиарда нейронов), обещают разработчики.

Но это еще не все! Отечественные исследователи смогли разработать группы искусственных нейронов, имитирующих работу в особых биологических условиях, например, когда мозг находится под воздействием медикаментов или имеет повреждения. Доцент МГУ Николай Кленов дает следующую характеристику: «Предлагаемый нейрон способен имитировать биологическую активность, соответствующую типичной реакции нейрона на обычную внешнюю стимуляцию, а также на допороговое раздражение. Кроме того, он имитирует режим травмы – биофизическую аномалию, вызванную различными нервными заболеваниями и повреждениями нейронов, и взрывной режим».

Все это, безусловно, позволит больше узнать о механизмах функционирования мозга в различных режимах и в дальнейшем, возможно, научиться устранять проблемы, связанные с его работой. А еще искусственные нейросети можно будет использовать в самых разных сферах – от компьютерной среды до создания высокотехнологичных роботов и даже киборгов (если мы позволим себе немного помечтать).

Понятно, что полная имитация человеческого мозга пока остается утопией, однако через десятилетие-другое мы, вполне возможно, будем иметь дело с машинами, мыслящими «как люди», и тема «электронного бунта» из фантастического сюжета превратится в самую что ни на есть актуальную угрозу человечеству. Правда, хочется верить, ученые все же придумают нечто, способное не позволить машинам стать умнее нас.

Ида ШАХОВСКАЯ