Специалисты Саратовского университета представили новую разработку – искусственный нейрон, предназначенный для передовых исследований мозга, нейропротезирования и развития систем искусственного интеллекта. По словам разработчиков, их изобретение значительно превосходит существующие аналоги по критериям простоты и экономической эффективности. Подробности исследования были опубликованы в престижном научном издании Chaos, Solitons & Fractals.
Искусственный нейрон. Изображение предоставлено Getty Images / KTSDESIGN.
Ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) сконструировали новый тип электронного генератора нейроноподобной активности, базирующийся на модели ФитцХью–Нагумо. В процессе работы они стремились не только упростить исходную схему, минимизировав количество компонентов и устранив избыточные контуры и источники питания для снижения энергопотребления, но и сохранить ключевые динамические характеристики, в частности, режимы импульсной активности.
«Выбросив из схемы практически все лишнее, мы нашли очень интересное решение с использованием диода в цепи операционного усилителя, что позволило существенно улучшить характеристики устройства. Для этой обновленной схемы были построены вольтамперные характеристики, а затем измерена зависимость амплитуды сигнала от сопротивления потенциометра, который заменил один из управляющих резисторов, упростив изменение режимов генерации,» — пояснил Лев Такаишвили, аспирант кафедры системного анализа и автоматического управления СГУ.
Как отметил Илья Сысоев, профессор той же кафедры, команда успешно завершила полный цикл разработки искусственного нейрона. «У нас есть и математическая модель, и имитационная модель, созданная в симуляторе схем ngSPICE, и физический прототип. Мы уже собрали четыре таких устройства,» — подчеркнул он.
Ключевые достижения проекта
В ходе работы исследователи решили три главные задачи:
- Значительное упрощение существующей схемы при сохранении основных колебательных режимов.
- Модификация схемы для придания колебаниям более выраженного импульсного характера, что характерно для реальных нейронов.
- Достижение модульности, позволяющей изменять форму колебаний путем регулирования числа диодов в схеме. Это дает возможность имитировать различные типы нейронов мозга, такие как пирамидные клетки, интернейроны и ретикулярные клетки.
Профессор кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии СГУ Владимир Пономаренко сообщил, что разработанная технология имеет широкий спектр применения: от развития искусственного интеллекта и нейропротезирования до фундаментальных исследований мозга.
«Одно из наиболее захватывающих и перспективных направлений применения электронных нейронов — это создание искусственной жизни. Моделирование нервной системы простых организмов, таких как черви-нематоды или мухи-дрозофилы, становится более реальной задачей с использованием наших искусственных нейронов. Мы верим, что в среднесрочной перспективе, примерно через 12-15 лет, создание таких искусственных существ станет возможным,» — поделился своими ожиданиями Пономаренко.
В ближайших планах ученых — дальнейшее совершенствование характеристик искусственного нейрона и его интеграция в более сложные системы для решения актуальных задач в области биомедицины, робототехники и фундаментальной науки. Это сложная междисциплинарная работа, которая потребует тесного сотрудничества между электронщиками, математиками, программистами, биологами и врачами.
Данная разработка получила поддержку в рамках программы «МОЗГ» от Фонда «Идея», а также гранта Российского научного фонда (РНФ).
Максим Соколов 
Дмитрий Верхов