211service.com
De cortex bouwen in silicium
Op Stanford loopt een ambitieus project om de hersenschors in silicium te modelleren. Het door de mens gemaakte brein zou wetenschappers kunnen helpen begrijpen hoe het meest recent ontwikkelde deel van ons brein zijn complexe computerprestaties uitvoert, waardoor we taal kunnen begrijpen, gezichten kunnen herkennen en de dag kunnen plannen. Het kan ook leiden tot nieuwe neurale protheses.
Siliciumchips die zijn gebouwd om op de hersenen te lijken, kunnen licht werpen op de rekenkracht ervan.
Hersenen doen dingen op technisch en conceptueel nieuwe manieren - ze kunnen vrij moeiteloos problemen oplossen die we nog niet kunnen oplossen met de grootste en modernste digitale machines, zegt Rodney Douglas , een professor aan het Institute of Neuroinformatics, in Zürich. Een van de manieren om dit te onderzoeken is door hardware te ontwikkelen die in dezelfde richting gaat.
Neuronen communiceren met een reeks elektrische pulsen; chemische signalen veranderen tijdelijk de elektrische eigenschappen van individuele cellen, wat op zijn beurt een elektrische verandering in het volgende neuron in het circuit teweegbrengt. In 1980, Carver Mead , een pionier in micro-elektronica aan het California Institute of Technology, realiseerde zich dat dezelfde transistors die werden gebruikt om computerchips te bouwen, kunnen worden gebruikt om circuits te bouwen die de elektrische eigenschappen van neuronen nabootsen. Sindsdien gebruiken wetenschappers en ingenieurs deze op transistors gebaseerde neuronen om ingewikkelder neurale circuits te bouwen, waarbij ze het netvlies, het slakkenhuis (het deel van het binnenoor dat geluidsgolven omzet in neurale signalen) en de hippocampus (een deel van het slakkenhuis) modelleren. van de hersenen cruciaal voor het geheugen). Ze noemen het proces neuromorphing.
nutsvoorzieningen Kwabena Boahen , een neuro-ingenieur aan de Stanford University, plant het meest ambitieuze neuromorfische project tot nu toe: het creëren van een siliciummodel van de cortex. Het ontwerp van de eerste generatie zal bestaan uit een printplaat met 16 chips, elk met een 256-bij-256 reeks siliciumneuronen. Groepen neuronen kunnen zo worden ingesteld dat ze verschillende elektrische eigenschappen hebben, waarbij ze verschillende soorten cellen in de cortex nabootsen. Ingenieurs kunnen ook specifieke verbindingen tussen de cellen programmeren om de architectuur in verschillende delen van de cortex te modelleren.
We willen verschillende ideeën, verschillende verbindingspatronen, verschillende operaties op deze gebieden kunnen verkennen, zegt Boahen. Het is niet echt mogelijk om dat nu te onderzoeken. Boahen is uiteindelijk van plan om chips te bouwen die andere wetenschappers kunnen kopen en gebruiken om hun eigen theorieën over de werking van de cortex te testen. Die nieuwe kennis kan vervolgens worden ingebouwd in de volgende generatie chips.
Het is heel spannend, zegt Terrence Sejnowski , hoofd van het Computational Neurobiology Laboratory van het Salk Institute, in La Jolla, CA. De technologie is zo gerijpt dat het mogelijk is om na te denken over grootschalige simulaties. Sejnowski bestudeert bijvoorbeeld hoe de thalamus, een hersengebied waarvan wordt gedacht dat het informatie uit verschillende delen van de hersenen doorgeeft en integreert, interageert met de cortex. We kunnen momenteel kleine simulaties doen van honderden tot duizenden neuronen, maar het zou geweldig zijn om dat op te schalen, zegt hij.
Het raster van miljoenen neuronen zal een verwerkingssnelheid hebben die gelijk is aan 300 teraflops, wat betekent dat in tegenstelling tot computersoftwaresimulaties van de cortex, het hardwired siliciummodel in realtime kan worden uitgevoerd. In plaats van duizend software-instructies uit te voeren, loopt het gewoon door transistors, net als echte neuronen, zegt Boahen.
Natuurlijk zal het project uitdagend zijn. Ze zullen een groot aantal chips moeten krijgen om samen te werken, zegt Douglas. Om een structuur samen te stellen op de schaal die Kwabena voor ogen heeft - dat heeft nog niemand gedaan. Maar het zou een keerpunt in het veld kunnen worden. Douglas vergelijkt de huidige staat van neuromorfische engineering met de vroege stadia van het ontwerp van computerchips. Mensen hadden aan verschillende soorten logische poorten gewerkt, maar er was een heel ander wereldbeeld nodig om computerchips te bouwen, zegt hij.
Ingenieurs hopen uiteindelijk de informatie die door de siliciumcortex wordt gegenereerd op verschillende manieren te gebruiken, bijvoorbeeld om betere neurale prothesen te bouwen. Het realtime-aspect van deze technologie stelt ons in principe in staat om de siliciumcortex te koppelen aan de echte cortex of hersenen, zegt Gert Cauwenberghs, een neuro-ingenieur aan de Universiteit van Californië, San Diego. Er is de belofte, in ieder geval in de toekomst, om een prothese te bouwen om een of andere verloren motorische of sensorische functie te vervangen.