Ученые повторили «разговор» нейронов в электронной схеме

Биологический мозг — эталон энергоэффективности. Чтобы создать что-то столь же изящное, многие лаборатории бросились конструировать нейроморфные процессоры — чипы, подражающие нейронам. Но итальянская команда пошла другим путем. Они решили, что главное — не сами «вычислительные элементы», а то, как они общаются друг с другом.

Их подход прошел проверку и в пробирке, и в цифре. Система не копирует нейронные сети один в один, но ученые доказали кое-что фундаментальное: можно перенести биологическую схему обмена данными на электронные рельсы, не растеряв при этом сути. «Это ключевой шаг к созданию искусственных систем с низким энергопотреблением, вдохновленных мозгом», — заявляют авторы. Звучит обнадеживающе.

Как собирали электронный прототип

Чтобы измерить эффективность этой нейронной «беседы», исследователи вооружились теорией информации. Проще говоря, они подсчитали, сколько данных проходит через синапс, и проверили, насколько реакция нейрона соответствует полученному сигналу.

Начали, как водится, с натуры. Взяли срезы мозга крысы и присмотрелись к гранулярным клеткам мозжечка. Затем измерили информацию, которую передают так называемые мшистые волокна — главные «почтальоны» мозжечка. Эти волокна стимулировали электрическими импульсами, чтобы вызвать синаптическую пластичность — удивительную способность синапсов учиться, усиливая или ослабляя связь.

Выяснилось, что изменения в потоке информации идут рука об руку с синаптической пластичностью. А когда эту схему перенесли на электронные нейроморфные модели, результат оказался поразительно похожим на биологический оригинал.

Дальше — цифровая симуляция. Ученые взяли импульсные нейронные сети — модель, которая максимально близко имитирует работу живых нейронов и считается фаворитом в гонке за эффективные нейроморфные вычисления. В их модели четыре «мшистых волокна» соединили с одной «гранулярной клеткой», а каждому соединению дали случайный «вес», влияющий на пропускную способность — почти как в живой системе.

Наконец, очередь дошла до «железа». Полупроводниковое устройство выступило в роли нейрона, а четыре мемристора сымитировали синапсы. Исследователи пропустили через систему серии импульсов, меняя сопротивление мемристоров, и отследили, как это влияет на передачу данных внутри всей конструкции.

Но команда открыла не только это. Они обратили внимание на синхронизацию импульсов — казалось бы, техническую мелочь, которая, как выяснилось, напрямую влияет на информационный поток. Вот вам и пища для размышлений: а что, если будущее нейроморфных вычислений зависит не от мощности, а от точного темпа, как в симфонии?