Silicium hjerner

I modsætning til de fleste neurovidenskabelige laboratorier er Kwabena Boahens laboratorium på Stanford University pletfri - ingen spredte pipetter eller rodede rækker af kemikalieflasker. I stedet sidder et enkelt printkort, der rummer en meget speciel chip, på en bar laboratoriebænk. Transistorerne i en typisk computerchip er indrettet til maksimal behandlingshastighed; men denne mikroprocessor har klynger af små transistorer designet til at efterligne neuronernes elektriske egenskaber. Transistorerne er indrettet til at opføre sig som celler i nethinden, cochlea eller endda hippocampus, et sted dybt i hjernen, der sorterer og lagrer information.

Kwabena Boahen er lektor i bioteknik ved Stanford University og leder af det neurovidenskabelige laboratorium, der udviklede computerchippen.

Boahen er en del af et lille, men voksende samfund af videnskabsmænd og ingeniører, der bruger en proces, de kalder neuromorphing, til at bygge komplicerede elektroniske kredsløb beregnet til at modellere neurale kredsløbs adfærd. Deres arbejde drager fordel af anatomiske diagrammer af forskellige dele af hjernen, der er genereret gennem mange års omhyggelige dyrestudier udført af neurovidenskabsmænd over hele verden. Håbet er, at fastkablede modeller af hjernen vil give indsigter, der er svære at skaffe gennem eksisterende eksperimentelle teknikker. Hjerner gør ting på teknisk og konceptuelt nye måder, som vi burde være i stand til at udforske, siger Rodney Douglas, professor ved Institute of Neuroinformatics i Zürich. De kan løse temmelig ubesværet problemer, som vi endnu ikke kan løse med de største og mest moderne digitale maskiner. En af måderne at udforske dette på er at udvikle hardware, der går i samme retning.

Denne historie var en del af vores maj 2007-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Blandt de mest spændende aspekter af hjernen er dens evne til at danne minder – noget der har fascineret neurovidenskabsmænd i årtier. Denne kapacitet ser ud til at være forankret i hippocampus, hvor skader kan føre til hukommelsestab.

Omfattende undersøgelser af neuroner i hippocampus og andre dele af hjernen har kastet lidt lys over, hvordan neural adfærd giver anledning til minder. Neuroner koder for information i form af elektriske impulser, der kan overføres til andre neuroner. Når to forbundne neuroner gentagne gange skyder tæt efter hinanden, styrkes forbindelsen mellem dem, så affyringen af ​​den første er med til at udløse affyringen af ​​den anden. Da denne proces - kendt af neurovidenskabsmænd som hebbisk læring - foregår i flere naboceller, skaber den net af forbindelser mellem forskellige neuroner, koder og sammenkæder information.

Multimedier

• Se en demo af computerchippen.

For bedre at forstå, hvordan dette fungerer, udviklede Boahen og kandidatstuderende John Arthur en chip baseret på et lag af hippocampus kendt som CA3. Sandwichet mellem to andre cellulære lag, et der modtager input fra cortex og et der sender information tilbage ud igen, menes CA3 at være der, hvor hukommelsen faktisk sker - hvor information er lagret og forbundet. Med henvisning til et diagram over chippens arkitektur forklarer Boahen, at hver modelcelle på chippen består af en klynge af transistorer designet til at efterligne en neurons elektriske aktivitet. Siliciumcellerne er arrangeret i et 32 ​​x 32 array, og hver af dem er programmeret til at forbinde svagt til 21 naboceller. Til at starte med er forbindelserne mellem cellerne slået fra, hvilket efterligner tavse synapser. (En synapse er en forbindelse mellem neuroner; en tavs synapse er en, hvor den, hvis en given neural celle affyrer, transmitterer en lille ændring i elektrisk aktivitet til sine naboer, men ikke nok til at udløse udbredelsen af ​​et elektrisk signal.)

Men, forklarer Boahen, chippen har evnen til at ændre styrken af ​​disse forbindelser, og efterligne, hvad der sker med neuroner under hebbisk læring. Siliciumcellerne overvåger, når deres naboer fyrer. Hvis en celle fyrer lige før dens nabo gør det, så styrkes den programmerede forbindelse mellem de to celler. Vi vil fange den associative hukommelsesfunktion, så vi vil have forbindelser mellem cellerne til at tænde eller slukke alt efter, om celler aktiveres sammen, siger Boahen.

Siddende ved sit skrivebord med printpladen og en bærbar computer foran sig demonstrerer Arthur, som nu er postdoc i Boahens laboratorium, chippens evne til at huske. Først sender han elektriske signaler til chippen fra den bærbare computer, som også registrerer outputtet af chippens siliciumneuroner. Han udløser gentagne gange aktivitet kun i neuroner, der danner en U-form på arrayet; hans bærbare skærm viser lysglimt, der gengiver det mønster, og repræsenterer aktiviteten i chippen. Hver neuron skyder på et lidt forskelligt tidspunkt og overvåger konstant affyringen af ​​sine 21 tilsluttede naboer. Gradvist styrkes forbindelserne mellem neuronerne, der udgør U'et: chippen har lært mønsteret. Når Arthur så udløser aktivitet i det øverste venstre hjørne af U'et, genskaber lysglimt på skærmen spontant resten af ​​mønsteret, da elektrisk aktivitet spreder sig blandt siliciumneuroner på chippen. Chippen har reelt tilbagekaldt resten af ​​U.

Stanford-forskerne planlægger at tilføje kredsløb til chippen, så den også vil modellere et lag af hippocampus kendt som dentatet, som modtager signaler fra cortex og sender dem til CA3. De håber, at denne model vil være i stand til at fastlægge minder, der er endnu mere komplekse. Vi vil gerne kunne give den et A og få den til at genkalde hele alfabetet, siger Boahen.

Holdet er også i gang med at udvikle andre neuromorfe chips. Dets seneste projekt – og den mest ambitiøse neuromorfe indsats til dato – er en model af cortex, den senest udviklede del af vores hjerne. Den indviklede struktur af cortex giver os mulighed for at udføre komplekse beregningsmæssige bedrifter, såsom at forstå sprog, genkende ansigter og planlægge for fremtiden. Modellens første generations design vil bestå af et printkort med 16 chips, der hver indeholder en 256 x 256 række siliciumneuroner.

Ved at skabe chips, der er i stand til at efterligne cortex, hippocampus og nethinden, håber Boahen på bedre at kunne forstå hjernen og i sidste ende designe neurale proteser, såsom en kunstig nethinde. Kwabena er en af ​​de få mennesker, der spænder over to perspektiver: dem, der ønsker at konstruere bedre chips og dem, der ønsker at forstå hjernen, siger Terry Sejnowski, en computerneuroforsker ved Salk Institute i La Jolla, CA. Jeg tror, ​​han er en af ​​de mennesker, der er forud for sin tid.

Emily Singer er redaktør for bioteknologi og biovidenskab Teknologigennemgang .

skjule