211service.com
Bygger Cortex i Silicon
Ett ambitiöst projekt för att modellera hjärnbarken i kisel pågår i Stanford. Den konstgjorda hjärnan kan hjälpa forskare att förstå hur den senast utvecklade delen av vår hjärna utför sina komplexa beräkningsprestationer, vilket gör att vi kan förstå språk, känna igen ansikten och planera dagen. Det kan också leda till nya neurala proteser.
Kiselchips byggda för att likna hjärnan kunde kasta ljus över dess beräkningskraft.
Hjärnor gör saker på tekniskt och konceptuellt nya sätt – de kan lösa ganska enkelt problem som vi ännu inte kan lösa med de största och modernaste digitala maskinerna, säger Rodney Douglas , professor vid Institutet för neuroinformatik, i Zürich. Ett av sätten att utforska detta är att utveckla hårdvara som går i samma riktning.
Neuroner kommunicerar med en serie elektriska pulser; kemiska signaler förändrar övergående de elektriska egenskaperna hos enskilda celler, vilket i sin tur utlöser en elektrisk förändring i nästa neuron i kretsen. På 1980-talet Carver Mead , en pionjär inom mikroelektronik vid California Institute of Technology, insåg att samma transistorer som används för att bygga datorchips kunde användas för att bygga kretsar som efterliknade neuronernas elektriska egenskaper. Sedan dess har forskare och ingenjörer använt dessa transistorbaserade neuroner för att bygga mer komplicerade neurala kretsar, modellera näthinnan, cochlea (den del av innerörat som översätter ljudvågor till neurala signaler) och hippocampus (en del). hjärnan som är avgörande för minnet). De kallar processen neuromorphing.
Nu Kwabena Boahen , en neuroingenjör vid Stanford University, planerar det mest ambitiösa neuromorfa projektet hittills: att skapa en kiselmodell av cortex. Den första generationens design kommer att bestå av ett kretskort med 16 chips, som var och en innehåller en 256 x 256 array av kiselneuroner. Grupper av neuroner kan ställas in att ha olika elektriska egenskaper, som efterliknar olika typer av celler i cortex. Ingenjörer kan också programmera specifika kopplingar mellan cellerna för att modellera arkitekturen i olika delar av cortex.
Vi vill kunna utforska olika idéer, olika uppkopplingsmönster, olika verksamheter inom dessa områden, säger Boahen. Det är inte riktigt möjligt att utforska det just nu. Boahen planerar i slutändan att bygga chips som andra forskare kan köpa och använda för att testa sina egna teorier om hur cortex fungerar. Den nya kunskapen kan sedan byggas in i nästa generations chips.
Det är väldigt spännande, säger Terrence Sejnowski , chef för Computational Neurobiology Laboratory vid Salk Institute, i La Jolla, CA. Tekniken har mognat till den grad att det är möjligt att tänka på storskaliga simuleringar. Sejnowski studerar till exempel hur thalamus, ett område i hjärnan som tros förmedla och integrera information från olika delar av hjärnan, interagerar med cortex. Vi kan för närvarande göra små simuleringar av hundratals till tusentals neuroner, men det skulle vara fantastiskt att kunna skala upp det, säger han.
Gridnätet med miljoner neuroner kommer att ha en bearbetningshastighet motsvarande 300 teraflops, vilket innebär att till skillnad från datorprogramsimuleringar av cortex, kommer den fasta kiselmodellen att kunna köras i realtid. Istället för att köra tusen mjukvaruinstruktioner är det bara ström som går genom transistorer, precis som riktiga nervceller, säger Boahen.
Självklart kommer projektet att bli utmanande. De kommer att behöva få ett stort antal marker för att fungera tillsammans, säger Douglas. Att sätta ihop en struktur på den skala Kwabena har i åtanke – ingen har gjort det ännu. Men det kan bli en vändpunkt på området. Douglas liknar det nuvarande tillståndet för neuromorfisk ingenjörskonst med de tidiga stadierna av datorchipdesign. Folk hade arbetat med olika typer av logiska grindar, men det krävdes en helt annan världsbild för att bygga datorchips, säger han.
Ingenjörer hoppas i slutändan kunna använda informationen som genereras av kiselbarken på en mängd olika sätt - för att bygga bättre neurala proteser, till exempel. Realtidsaspekten av den här tekniken tillåter oss i princip att koppla kiselbarken till den verkliga cortexen eller hjärnan, säger Gert Cauwenberghs, en neuroingenjör vid University of California, San Diego. Det finns ett löfte, åtminstone i framtiden, att bygga en protes för att ersätta någon förlorad motorisk eller sensorisk funktion.