Ученые Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (МГУ) сделали искусственные синапсы, которые реагируют на импульсы света подобно биологическим синапсам и обладают кратковременной и долговременной памятью. Разработка вычислительных архитектур на основе подобных элементов приблизит российскую науку к созданию энергоэффективных систем искусственного интеллекта.
Сотрудники лаборатории нейроморфной фотоники МГУ под руководством профессора физического факультета Андрея Федянина в сотрудничестве с химиками и нейробиологами продемонстрировали биоподобные свойства оптоэлектрических структур на основе оксида цинка. Фотопроводимость этих структур демонстрирует импульсный тип отклика на сигнал, близко напоминающий поведение биологических синапсов. Это значит, что он может эффективно передавать и обрабатывать информацию. Эксперименты позволили создать оптоэлектронные искусственные синапсы и продемонстрировать их нейроморфные свойства, сообщили в пресс-службе МГУ.
Биологический синапс — это особое образование, которое может осуществлять передачу нервного импульса от одного нейрона к другому или от нервной клетки к рабочему органу.
«Мы разрабатываем новый подход к искусственному интеллекту, создавая биоинспирированные искусственные синапсы, активируемые светом и обрабатывающее импульсные сигналы. Кроме того, мы наткнулись на несколько удивительных открытий: эти синапсы вызывают чувство депрессии (да, даже искусственные синапсы могут быть подавлены), тоническое возбуждение и отсроченные ускоренные ответы, которые возникают при периодическом облучении импульсами света. Эти синапсы как рок-звезды в мире технологий, они адаптируются и запоминают прошлые стимулы, как никто до них», — рассказал Игорь Балашов, аспирант физического факультета.
Искусственный синапс обладает как кратковременной (STM), так и долговременной памятью (LTM), что очень важно для решения многих когнитивных задач. LTM сохраняется в течение длительного времени, что делает ее ценным решением для хранения и воспроизведения информации в нейроморфных системах. Еще одно примечательное свойство — парно-импульсная фасилитация (PPF). Это явление, когда второй импульс вызывает более сильный ответ, чем первый, является чрезвычайно важной особенностью нейронных систем и имеет большое значение для обработки информации и обучения. Также этот искусственный синапс сохраняет память о предыдущих воздействиях, что определяет свойства непрерывного обучения и адаптации. Эта способность хранить и воспроизводить информацию, полученную в прошлом, позволяет ему адаптироваться к изменяющимся условиям и повышать свою производительность с течением времени.
«Возможно, самым интересным аспектом этой работы является открытие адаптации частоты спайков. Это свойство, характерное для биологических нейронов, позволяет искусственному синапсу настраивать свою реакцию в зависимости от частоты входящих сигналов. Такая адаптация обеспечивает дополнительный уровень сложности и разнообразия, необходимый для эмуляции сложного функционирования человеческого мозга. Таким образом, адаптивный искусственный синапс на основе нанокристаллической пленки оксида цинка — это значительный шаг на пути к созданию нейроморфных вычислительных систем, повторяющих эффективность и адаптивность человеческого мозга. Его способность воспроизводить базовые синаптические характеристик, делает его перспективным кандидатом для будущих нейроморфных чипов и сенсорических систем», — объяснил Андрей Грунин, сотрудник лаборатории нейроморфной фотоники МГУ.
Результаты работы опубликованы в журнале Opto-Electronic Science.
