Несмотря на то, что полноценная аппаратная репликация человеческого мозга пока остается делом будущего, современная наука активно создает устройства, имитирующие работу отдельных структур нервной системы. В августе 2025 года журнал Nature Communications опубликовал результаты исследования, посвященного аппаратным нейронам на базе диффузионных мемристоров. Для обозначения этих инновационных компонентов авторы предложили новый термин — транснейроны.
В отличие от традиционных решений, диффузионные мемристоры функционируют за счет временной динамики наночастиц (например, серебра) в оксидной матрице. Именно этот процесс определяет электрическую проводимость устройства. Рассмотрим подробнее, в чем заключается суть этого открытия.
Объект и цели исследования
Команда ученых проанализировала поведение одиночного искусственного нейрона, построенного на диффузионном мемристоре. Основной задачей было экспериментальное измерение импульсной (спайковой) активности устройства и её сопоставление со статистическими характеристиками биологических нейронов коры головного мозга.
Для сравнения использовались данные нейрофизиологических наблюдений за макаками. Исследователи анализировали три зоны коры: зрительную, теменную (ответственную за планирование движений) и премоторную. Каждая из них обладает уникальной динамикой спайков, что позволило оценить универсальность искусственного аналога.
Примечательно, что в экспериментах использовался один и тот же физический модуль. Его поведение корректировалось исключительно внешними факторами: рабочим напряжением, сопротивлением нагрузки, емкостью и температурой. Таким образом, ученые получили гибкий элемент, способный работать в различных функциональных режимах без изменения архитектуры. Авторы подчеркивают: целью было не создание нейросети, а достижение корректной динамики на уровне отдельного узла, что критически важно для дальнейшего масштабирования технологии.
Принцип работы диффузионного мемристора
Ключевой элемент транснейрона — диффузионный мемристор с активным слоем, содержащим серебро. В отличие от классических мемристоров, здесь проводящее состояние нестабильно. Под воздействием электрического поля атомы серебра мигрируют, образуя временные кластеры. Как только напряжение исчезает, эти структуры распадаются, и устройство возвращается в высокоомное состояние.
Искусственный нейрон реализован в виде интегрирующей цепи (мемристор, резистор и конденсатор). Процесс выглядит следующим образом:
- Конденсатор накапливает заряд.
- При достижении порога мемристор становится проводящим.
- Происходит быстрый разряд (формирование импульса-спайка).
- Мемристор возвращается в исходное состояние, и цикл запускается вновь.
Благодаря чувствительности к температуре и внутренним шумам, интервалы между импульсами становятся нерегулярными. Эта стохастическая природа превращает устройство из обычного генератора в полноценный аппаратный аналог живой клетки.
Вариативность режимов активности
Исследование показало, что транснейрон способен функционировать в трех ключевых режимах:
- Шумовые спайки: редкие и случайные импульсы при низком напряжении.
- Регулярный ритм: устойчивая последовательность спайков с равными интервалами.
- Бурстинг: серии высокочастотных всплесков, разделенные периодами затишья.
Такая гибкость позволяет кодировать случайные события, поддерживать ритмические процессы и выделять приоритетные сигналы, что максимально приближает искусственную систему к биологическим прототипам.
Биологическая адекватность
Для подтверждения сходства с живыми системами ученые использовали коэффициенты вариации CV1 и CV2, которые описывают общую нерегулярность и локальные колебания интервалов между импульсами. Сравнение с нейронами макаки показало практически полное совпадение статистических профилей. Один и тот же транснейрон можно настроить так, чтобы он имитировал специфическую активность клеток разных отделов мозга.
Транснейрон не просто копирует внешнюю форму сигнала, он воспроизводит саму стохастическую логику работы живой клетки, адаптируясь под конкретные задачи коры головного мозга.
Интеллектуальные возможности одного элемента
Термин «транснейрон» отражает способность устройства менять свою функциональную роль «на лету». В традиционных NPU (нейропроцессорах) каждый узел жестко детерминирован. Транснейрон же проявляет пластичность на уровне отдельного компонента, адаптируясь к входным сигналам без перестройки всей сети.
Селективность и фильтрация
Живые нейроны обладают избирательностью (рецептивными полями). Эксперименты подтвердили, что транснейрон также способен выделять определенные частоты стимуляции. При подаче смешанного сигнала устройство реагировало максимально интенсивно только на определенную частоту, причем этот «пик интереса» смещался в зависимости от амплитуды — в точности так, как это происходит в зрительной коре при изменении контрастности изображения.
Фазовое детектирование
Одним из наиболее значимых достижений стала демонстрация способности транснейрона сравнивать фазы сигналов. Используя эффекты мультистабильности и гистерезиса, устройство смогло выполнять функции фазового детектора. При подаче двух сигналов (электрического и температурного) интенсивность спайков зависела от их фазового сдвига. Фактически, один элемент выполнил вычислительную задачу, для которой в биологии требуется целая микросеть из нескольких клеток.
Энергоэффективность процесса впечатляет: на генерацию одного спайка затрачивается всего около 10⁻¹³ Дж, что значительно превосходит показатели традиционных схем.
Будущее нейроморфных систем
Транснейроны не рассматриваются как прямая замена графическим процессорам для обучения гигантских языковых моделей. Их ниша — компактные, сверхэнергоэффективные нейроморфные процессоры для локальной обработки данных.
Возможные сферы применения:
- Робототехника и системы автономного управления.
- Интеллектуальные сенсоры с первичной обработкой сигналов.
- Когнитивные вычислители, работающие на биологических принципах.
Несмотря на необходимость прецизионного контроля внешних параметров, технология открывает путь к созданию систем, где вычисления происходят непосредственно внутри «строительных кирпичиков» электроники, имитируя сложность и эффективность живой природы.
Развивайте свои проекты в надежной среде с облачным провайдером Beget. Специальное предложение для читателей SE7ENа: получите бонус 10% при первом пополнении баланса.
