إن الدماغ البشري هو أكثر بنية غير مستكشفة في الكون. 100 مليار خلية عصبية تنقل إلى نبضات عصبية بعضها البعض بسعات وترددات مختلفة من 100 تريليون مشابك. باستخدام هذا النظام ، نتعلم ونحل العديد من المشاكل بسرعة البرق. قام فريق المهندسين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإنشاء مشابك اصطناعية ، خالية من أحد العوائق الرئيسية للعينات الموجودة - عدم القدرة على التنبؤ بحركة الأيونات.
في عام 1906 ، تم منح جائزة نوبل في الطب للعمل على بنية الجهاز العصبي وتصنيف الخلايا العصبية من قبل
Camillo Golgi و
Santiage Ramón i Cahal . تمكن العلماء والأطباء على مدى المائة عام الماضية من تعلم الكثير عن الجهاز العصبي البشري والدماغ ، ولكن حتى الآن لا تحتوي جميع الأسئلة على إجابات. كانت الاكتشافات التي تم إجراؤها كجزء من
مشروع الدماغ البشري مهمة بشكل خاص باستخدام أحدث التطورات التكنولوجية في مجال الميكروسكوب الإلكتروني والإلكتروني ثلاثي الأبعاد.
في الدماغ ، يتم توصيل الخلايا العصبية بواسطة محاور عصبية - نوع من الكابلات الكهربائية. تمر النبضات العصبية على طول المحاور العصبية عبر
نقاط الاشتباك العصبي بمساعدة الوسطاء الكيميائيين ، بطريقة كهربائية ، حيث تنتقل الأيونات من خلية إلى أخرى ، وتختلط عندما يعزز النقل الكيميائي الآلية الكهربائية.
انتقال دفعة بين اثنين من الخلايا العصبية. وزارة الصحة الأمريكيةيحاول العلماء الذين يعملون في مجال
الحوسبة العصبية إنشاء جهاز كمبيوتر يعمل بطريقة مشابهة للدماغ البشري. بدلاً من الحسابات الثنائية مع الأصفار والأصفار ، يحاولون استخدام العناصر التي ترسل إشارات "تناظرية" باستخدام "ظلال" مختلفة ، كما هو الحال في الدماغ البشري ، حيث تعتمد الإشارة على عدد الأيونات التي تمر عبر المشبك. إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الحديثة مناسبة لحل المعادلات وتشغيل الخوارزميات ، ففي حالة التفاعل مع البيئة ، فلن تكون قادرة على إظهار الكفاءة المتاحة للدماغ البشري: في عام 2012 ، أنشأت Google شبكة عصبية للتعرف على القطط باستخدام
1000 خادم و 16 ألف نواة . سوف تكون الرقائق العصبية الصغيرة قادرة على تنفيذ الملايين من الحسابات في وقت واحد والتي لا يمكن إلا للحواسيب الفائقة اليوم.
عند إنشاء رقائق العصبية لمحاكاة المشبك ، غالبا ما تستخدم المواد غير متبلور. الأيونات التي تمر عبرها لها اتجاهات عديدة للحركة. هذه هي الصعوبة: بسبب هذا ، من المستحيل التكهن بالتحديد إلى أين ستذهب الإشارة وعدد الأيونات التي ستفقد على طول الطريق.
صمم المهندسون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
هذا المشبك الاصطناعي الذي يمكنهم من خلاله التحكم في اتجاه الإشارة الكهربائية التي تمر عبره. بدلاً من المواد غير المتبلورة ، استخدم العلماء
السليكون أحادي البلورية ، حيث حاولوا خلق عيب يمكن للأيونات أن تمر من خلاله بشكل متوقع. تم تطبيق نمط مجهري على شكل أقراص العسل على رقاقة السيليكون. تم تطبيق طبقة الجرمانيوم مع نمط مماثل على هذه اللوحة. تشكل هاتان المادتان معًا "قمع" ، مما يجعل الأيونات تتدفق على طول مسار محدد بدقة.
ثم قام العلماء باختبار فعالية الاختراع: تقريبا نفس تدفق الأيون مرت خلال كل المشبك. كان الفرق بين المشابك العصبية يصل إلى 4٪ ، وعند اختبار مشابك واحد لمدة 700 دورة ، كان التغيير في تيار التمرير يصل إلى 1٪ من دورة إلى أخرى. وفقا للمطورين ، لم يتم تحقيق مثل هذه النتائج في المشابك المبنية على أساس المواد غير المتبلورة.
كان الاختبار النهائي للتطوير هو مهمة التعرف على خط اليد. قام فريق العلماء بمحاكاة حاسوبية لشبكة عصبية اصطناعية من ثلاث طبقات من الخلايا العصبية متصلة بطبقتين من المشابك الاصطناعية ، تم قياس خصائصها في الأصل من الشريحة التي بنوها. تم تحميل النموذج بعشرات الآلاف من عينات الكتابة اليدوية التي عادة ما يستخدمها مطورو الرقائق العصبية. تعرفت الشبكة العصبية على العينات في 95٪ من الحالات ، وهي أسوأ قليلاً من دقة 97٪ من خوارزميات البرمجيات الموجودة. الهدف التالي للفريق هو صنع رقاقة عصبية عاملة يمكنها تكرار التجربة التي تم إجراؤها باستخدام المحاكاة.
يقول رئيس الفريق الهندسي: "نريد شريحة بحجم مسمار لتحل محل حاسوب عملاق واحد كبير".