Учеными МФТИ и МГУ им. М. В. Ломоносова найден перспективный вариант использования нанопроводов из золота для реализации сверхпроводниковых аналогов нейронов. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. По материалам исследований опубликована статья в журнале Nanomaterials.
Моделирование нейрофизиологических процессов в мозгу живых существ — задача актуальная и очень сложная. Одной из основных проблем в этой области является недостаточное количество нейронов и синапсов в современных нейроморфных процессорах Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS), поскольку увеличение ведет к большому энергопотреблению и тепловыделению в таких системах.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, комментирует: «Лучшие на сегодня нейроморфные системы имитируют сети, состоящие примерно из одного миллиона нейронов и четверти миллиарда синапсов. Однако самые амбициозные биологические проекты ставят цели достичь 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов. Стремление к такой высокой сложности требует решений на основе новых физических принципов передачи и обработки сигналов. Мы исследовали двух- и трехпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры с джозефсоновскими контактами на основе золотых нанопроволок».
Рисунок. Биологический нейрон и его искусственный аналог из сверхпроводящего материала.
Источник: Nanomaterials
Применение сверхпроводящих материалов уже используют при разработке искусственных нейронов. Переключение джозефсоновского перехода (контакта сверхпроводников через прослойку диэлектрика) обеспечивает генерацию квантованного всплеска напряжения. Форма этого всплеска может быть близка к той, которая возникает в нейрофизиологических процессах. При этом искусственный нейрон можно реализовать с помощью всего двух джозефсоновских контактов. Это на порядок меньше, чем в технологии, реализуемой с помощью транзисторов в нейроморфных процессорах CMOS.
Ученые из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ с коллегами разработали джозефсоновские структуры на основе нанопроводов для реализации сверхпроводящих биоинспирированных нейронов. Дополнительно была разработана схема сверхпроводящего искусственного нейрона, позволяющая работать в режимах, соответствующих важной биологической активности, отсутствующей в ранее предложенных устройствах. Проведенные эксперименты показали, что нанопровода из золота могут использоваться как слабая связь для наноразмерных джозефсоновских контактов. Сверхпроводящий контур с двумя такими контактами может работать как «биоподобный» нейрон в быстродействующих и энергоэффективных комплексах моделирования нейрофизиологической активности. Замена одного из джозефсоновских контактов на двухконтактный интерферометр позволила добиться для биоподобного нейрона специальных режимов работы, моделирующих поведение биологической системы в случае заболеваний или под действием медикаментов.
Игорь Соловьев, научный сотрудник МГУ им. М. В. Ломоносова, рассказывает: «И эксперимент, и проведенное численное моделирование показывают, что предложенная трехпереходная ячейка способна имитировать активность специфических биологических нейронов, отсутствующую в ранее представленных сверхпроводящих искусственных нейронах».
Николай Кленов, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова, добавляет: «Предлагаемый нейрон способен имитировать биологическую активность, соответствующую типичной реакции нейрона на обычную внешнюю стимуляцию, а также на допороговое раздражение. Кроме того, он имитирует режим травмы — биофизическую аномалию, вызванную различными нервными заболеваниями и повреждениями нейронов, и взрывной режим».
Центр перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ создан в 2021 году. В основе исследований центра лежат современные зондовые и спектроскопические методы. Исследования направлены на разработку новых принципов работы квантовых, электронных, спиновых, ионных, молекулярных и других видов устройств, а также на решение проблем пределов миниатюризации функциональных устройств.
