Когнітивну функцію вищого порядку, яку ми зазвичай пов’язуємо з людським мозком, можна імітувати в небіологічному апаратному забезпеченні
Міжнародна група під керівництвом вчених із Сіднейського університету продемонструвала, що нанодротові мережі можуть проявляти як короткочасну, так і довготривалу пам’ять, як людський мозок.
Дослідження опубліковано сьогодні в журналі Science Advances під керівництвом доктора Алона Лоффлера, який здобув ступінь доктора філософії у школі фізики разом зі співробітниками в Японії.
«У цьому дослідженні ми виявили, що когнітивну функцію вищого порядку, яку ми зазвичай пов’язуємо з людським мозком, можна імітувати в небіологічному апаратному забезпеченні», — сказав доктор Леффлер.
«Ця робота ґрунтується на наших попередніх дослідженнях, у яких ми показали, як нанотехнології можуть бути використані для створення електричного пристрою, натхненного мозком, зі схемою, схожою на нейронну мережу і передачею сигналів, схожою на синапс».
«Наша нинішня робота прокладає шлях до відтворення подібного до мозку навчання та пам’яті в небіологічних апаратних системах і припускає, що основна природа подібного до мозку інтелекту може бути фізичною».
Нанодротові мережі – це тип нанотехнології, який зазвичай виготовляється з крихітних високопровідних срібних дротів, невидимих неозброєним оком, покритих пластиковим матеріалом, які розкидані один на одному, як сітка. Дроти імітують аспекти мережевої фізичної структури людського мозку.
Прогрес у нанодротових мережах може передвіщати багато реальних додатків, таких як вдосконалення робототехніки або сенсорних пристроїв, яким потрібно швидко приймати рішення в непередбачуваних середовищах.
«Ця нанодротова мережа схожа на синтетичну нейронну мережу, тому що нанодроти діють як нейрони, а місця, де вони з’єднуються один з одним, аналогічні синапсам», — сказала старший автор, професор Зденка Кунчіч зі Школи фізики.
Професор Зденка Кунчич здобула науковий ступінь з відзнакою першого класу з фізики в Університеті Сіднея, а потім отримала ступінь доктора філософії з теоретичної астрофізики в Кембридзькому університеті. Вона є професором фізики та майбутнім ученим Фулбрайта в Сіднейському університеті, де вона очолює міждисциплінарну дослідницьку групу, яка працює над проектами, які об’єднують фізику, медицину, біологію, нейронауку та інженерію для вирішення складних проблем.
«Замість того, щоб реалізувати якесь завдання машинного навчання, у цьому дослідженні д-р Леффлер зробив ще один крок далі й спробував продемонструвати, що нанодротові мережі демонструють певну когнітивну функцію».
Щоб перевірити можливості нанодротової мережі, дослідники провели для неї тест, схожий на звичайне завдання пам’яті, яке використовується в експериментах з людською психологією, під назвою завдання N-Back.
Для людини завдання N-Back може передбачати запам’ятовування конкретного зображення кота з серії зображень котячих, представлених у послідовності.
Оцінка N-Back 7, середня для людей, означає, що людина може розпізнати те саме зображення, яке з’явилося на сім кроків назад. У застосуванні до нанодротової мережі дослідники виявили, що вона може «запам’ятати» бажану кінцеву точку в електричному ланцюзі на сім кроків назад, що означає 7 балів у тесті N-Back.
«Ми маніпулювали напругою кінцевих електродів, щоб змусити шляхи змінюватися, а не дозволяли мережі просто робити свої справи. Ми змусили шляхи йти туди, куди ми хотіли», — сказав доктор Леффлер.
«Коли ми реалізуємо це, його пам’ять має набагато вищу точність і насправді не зменшується з часом, що говорить про те, що ми знайшли спосіб зміцнити шляхи, щоб підштовхнути їх туди, куди ми хочемо, а потім мережа запам’ятовує це».
«Нейробіологи вважають, що так працює мозок, певні синаптичні зв’язки зміцнюються, а інші слабшають, і вважають, що це те, як ми запам’ятовуємо деякі речі, як ми навчаємося тощо».
Дослідники кажуть, що коли мережа нанодротів постійно зміцнюється, вона досягає точки, коли це зміцнення більше не потрібно, оскільки інформація консолідується в пам’яті.
«Якщо ми хочемо запам’ятати щось протягом тривалого періоду часу, нам справді потрібно продовжувати тренувати наш мозок, щоб консолідувати це, інакше це просто зникає з часом. «Одне завдання показало, що нанодротова мережа може зберігати до семи елементів у пам’яті на значно вищому рівні випадковості без навчання підкріплення та з майже ідеальною точністю при навчанні підкріплення».