Silicium hersenen

In tegenstelling tot de meeste neurowetenschappelijke laboratoria, is het laboratorium van Kwabena Boahen aan de Stanford University brandschoon - geen verspreide pipetten of door elkaar gegooide reeksen chemische flessen. In plaats daarvan zit een eenzame printplaat met een heel speciale chip op een kale laboratoriumbank. De transistors in een typische computerchip zijn opgesteld voor maximale verwerkingssnelheid; maar deze microprocessor bevat clusters van kleine transistors die zijn ontworpen om de elektrische eigenschappen van neuronen na te bootsen. De transistors zijn zo gerangschikt dat ze zich gedragen als cellen in het netvlies, het slakkenhuis of zelfs de hippocampus, een plek diep in de hersenen die informatie sorteert en opslaat.

Kwabena Boahen is universitair hoofddocent bio-engineering aan de Stanford University en hoofd van het neurowetenschappelijk laboratorium dat de computerchip heeft ontwikkeld.

Boahen maakt deel uit van een kleine maar groeiende gemeenschap van wetenschappers en ingenieurs die een proces gebruiken dat ze neuromorfing noemen om gecompliceerde elektronische circuits te bouwen die bedoeld zijn om het gedrag van neurale circuits te modelleren. Hun werk maakt gebruik van anatomische diagrammen van verschillende delen van de hersenen die zijn gegenereerd door jarenlange nauwgezette dierstudies door neurowetenschappers over de hele wereld. De hoop is dat hardwired modellen van de hersenen inzichten zullen opleveren die moeilijk te verkrijgen zijn met bestaande experimentele technieken. Hersenen doen dingen op technisch en conceptueel nieuwe manieren die we zouden moeten kunnen onderzoeken, zegt Rodney Douglas, een professor aan het Institute of Neuroinformatics, in Zürich. Ze kunnen vrij moeiteloos problemen oplossen die we met de grootste en modernste digitale machines nog niet kunnen oplossen. Een van de manieren om dit te onderzoeken is door hardware te ontwikkelen die in dezelfde richting gaat.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2007

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Een van de meest intrigerende aspecten van de hersenen is het vermogen om herinneringen te vormen - iets dat neurowetenschappers al tientallen jaren fascineert. Dat vermogen lijkt te zijn geworteld in de hippocampus, waarvan schade kan leiden tot geheugenverlies.

Uitgebreide studies van neuronen in de hippocampus en andere delen van de hersenen hebben enig licht geworpen op hoe neuraal gedrag herinneringen oproept. Neuronen coderen informatie in de vorm van elektrische pulsen die naar andere neuronen kunnen worden verzonden. Wanneer twee verbonden neuronen herhaaldelijk kort na elkaar vuren, wordt de verbinding tussen hen versterkt, zodat het vuren van de eerste het vuren van de tweede helpt. Omdat dit proces - bij neurowetenschappers bekend als Hebbisch leren - plaatsvindt in meerdere aangrenzende cellen, creëert het netwerken van verbindingen tussen verschillende neuronen, waarbij informatie wordt gecodeerd en gekoppeld.

Multimedia

• Bekijk een demo van de computerchip.

Om beter te begrijpen hoe dit werkt, ontwikkelden Boahen en promovendus John Arthur een chip op basis van een laag van de hippocampus die bekend staat als CA3. Ingeklemd tussen twee andere cellulaire lagen, een die input ontvangt van de cortex en een die informatie weer terugstuurt, wordt gedacht dat CA3 de plaats is waar het geheugen daadwerkelijk plaatsvindt - waar informatie wordt opgeslagen en gekoppeld. Boahen wijst naar een diagram van de architectuur van de chip en legt uit dat elke modelcel op de chip bestaat uit een cluster van transistors die zijn ontworpen om de elektrische activiteit van een neuron na te bootsen. De siliciumcellen zijn gerangschikt in een reeks van 32 bij 32 en elk is geprogrammeerd om zwak te verbinden met 21 aangrenzende cellen. Om te beginnen worden de verbindingen tussen de cellen uitgeschakeld, waardoor stille synapsen worden nagebootst. (Een synaps is een verbinding tussen neuronen; een stille synaps is er een waar, als een bepaalde neurale cel vuurt, deze een kleine verandering in elektrische activiteit doorgeeft aan zijn buren, maar niet genoeg om de voortplanting van een elektrisch signaal te activeren.)

Maar, legt Boahen uit, de chip heeft het vermogen om de sterkte van deze verbindingen te veranderen, en imiteert wat er gebeurt met neuronen tijdens Hebbian-leren. De siliciumcellen houden in de gaten wanneer hun buren vuren. Als een cel vuurt net voordat zijn buur dat doet, wordt de geprogrammeerde verbinding tussen de twee cellen versterkt. We willen de associatieve geheugenfunctie vastleggen, dus we willen dat verbindingen tussen de cellen worden in- of uitgeschakeld, afhankelijk van of cellen samen worden geactiveerd, zegt Boahen.

Arthur, die nu postdoc is in het laboratorium van Boahen, zit aan zijn bureau met de printplaat en een laptop voor zich en demonstreert het vermogen van de chip om te onthouden. Eerst stuurt hij elektrische signalen naar de chip vanaf de laptop, die ook de output van de siliciumneuronen van de chip registreert. Hij activeert herhaaldelijk activiteit alleen in neuronen die een U-vorm op de array vormen; zijn laptopscherm toont lichtflitsen die dat patroon reproduceren, wat de activiteit in de chip voorstelt. Elk neuron vuurt op een iets ander tijdstip en bewaakt constant het vuren van zijn 21 verbonden buren. Geleidelijk aan worden de verbindingen tussen de neuronen waaruit de U bestaat, versterkt: de chip heeft het patroon geleerd. Wanneer Arthur vervolgens activiteit in alleen de linkerbovenhoek van de U activeert, creëren lichtflitsen op het scherm spontaan de rest van het patroon, terwijl elektrische activiteit zich verspreidt tussen siliciumneuronen op de chip. De chip heeft effectief de rest van de U.

De Stanford-onderzoekers zijn van plan om circuits aan de chip toe te voegen, zodat deze ook een laag van de hippocampus zal modelleren die bekend staat als de dentate, die signalen van de cortex ontvangt en naar CA3 stuurt. Ze hopen dat dit model in staat zal zijn om nog complexere herinneringen vast te leggen. We willen het een A kunnen geven en het het hele alfabet laten herinneren, zegt Boahen.

Het team is ook bezig met het ontwikkelen van andere neuromorfe chips. Het nieuwste project - en de meest ambitieuze neuromorfische inspanning tot nu toe - is een model van de cortex, het meest recent ontwikkelde deel van onze hersenen. De ingewikkelde structuur van de cortex stelt ons in staat om complexe computerprestaties te leveren, zoals het begrijpen van taal, het herkennen van gezichten en plannen voor de toekomst. Het ontwerp van de eerste generatie van het model zal bestaan ​​uit een printplaat met 16 chips, elk met een 256-bij-256 reeks siliciumneuronen.

Door chips te maken die de cortex, de hippocampus en het netvlies kunnen nabootsen, hoopt Boahen de hersenen beter te begrijpen en uiteindelijk neurale protheses te ontwerpen, zoals een kunstmatig netvlies. Kwabena is een van de weinige mensen die zich uitstrekken over twee perspectieven: degenen die betere chips willen maken en degenen die de hersenen willen begrijpen, zegt Terry Sejnowski, een computationele neurowetenschapper aan het Salk Institute in La Jolla, CA. Ik denk dat hij een van die mensen is die zijn tijd vooruit is.

Emily Singer is de redacteur biotechnologie en life sciences van Technologie beoordeling .

zich verstoppen