Концепция создания & laquobrain-on-chip & # 187; раскрыта
                Дорожная карта для мемритивных нейроморфных и нейрогибридных систем Кредит: Университет Лобачевского

Ученые Лобачевского университета в сотрудничестве со своими коллегами из России, Италии, Китая и США предложили концепцию мемристивного нейрогибридного чипа для использования в компактных биосенсорах и нейропротезах. Концепция основана на существующих и перспективных решениях на стыке нейронных клеточных и микрофлюидных технологий, которые позволяют вырастить пространственно упорядоченную живую нейронную сеть. В сочетании с КМОП-совместимыми технологиями для создания микроэлектродных матриц и массивов мемристивных устройств этот комплексный подход будет использоваться для регистрации, обработки и стимулирования биоэлектрической активности в режиме реального времени.
                                                                                       

По словам Алексея Михайлова, заведующего лабораторией Физико-технического научно-исследовательского института университета им. Лобачевского, взаимодействие различных подсистем организовано на одном кристалле (микросхеме) и управляется встроенными аналого-цифровыми цепями. , «Внедрение биосовместимой микроэлектронной системы наряду с развитием клеточных технологий обеспечит прорыв в нейропротезировании, предлагая важное конкурентное преимущество: миниатюрный биоэлектрический датчик на основе микро- и наноструктур с возможностью хранения и обработки сигналов в нескольких манеры, в том числе прямой подход и петли обратной связи, могут служить активным нейронным интерфейсом для интеллектуального контроля и управления нейронными структурами.

Этот потенциал (недостижимый при использовании традиционных архитектур нейронных интерфейсов) может быть распространен на другие типы биоэлектрических сигналов для регистрации сигналов мозговой, сердечной и мышечной активности, а также состояния кожи с помощью портативной обработки сигналов и диагностики. системы «, говорит Михайлов.

Для разработки и изготовления двунаправленных нейроинтерфейсов ученые в настоящее время применяют сложные электронные схемы, реализующие специальные математические модели и нейроморфные принципы обработки информации. Такие электронные системы используют традиционные компоненты и не могут отвечать требованиям энергоэффективности и компактности для безопасного взаимодействия с живыми культурами или тканями на одном чипе.

«Мемристоры, созданные учеными из России и Италии, обладают уникальным свойством нелинейной резистивной памяти и являются перспективными элементами для аналоговых систем обработки информации, в том числе с нейроноподобной структурой. Они также могут служить в качестве датчиков электрофизиологической активности, выполняемых на В то же время функция накопления и энергонезависимого хранения информации «, отмечает Михайлов.

Схематическое представление предлагаемой нейрогибридной системы демонстрирует несколько функциональных слоев, объединенных в один CMOS-интегрированный чип. Верхний слой является частью нейронной системы, представленной здесь культурой диссоциированных клеток гиппокампа, выращенных на многоэлектродной матрице и функционально упорядоченных по специальной схеме микрофлюидных каналов.

Микроэлектродный слой служит для внеклеточной регистрации и стимуляции нейронов in vitro. Он реализован на верхних слоях металлизации слоя CMOS вместе с массивом мемристивных устройств.


            Концепция создания & laquobrain-on-chip & # 187; раскрыта
                Памятный нейрогибридный чип. Кредит: Лобачевский университет

«Самой простой задачей, выполняемой мемристивными устройствами, является непосредственная обработка пиковой активности биологической сети; однако самообучающиеся архитектуры нейронных сетей, основанные на полностью связанных перекрестных мемристивных массивах, могут быть разработаны для адаптивного декодирования пространственно-временных характеристик биоэлектрическая активность. Выход этой искусственной сети может использоваться для управления сотовой сетью посредством постепенной модуляции внеклеточной стимуляции в соответствии с данным протоколом Аналоговые и цифровые схемы для доступа и управления многоэлектродной решеткой и запоминающими устройствами, усиления, генерации и передачи сигналы между слоями должны быть реализованы в основном CMOS-слое «, — поясняет Алексей Михайлов.

Для создания нейрогибридного чипа потребуется совместное проектирование и оптимизация всех этих элементов на уровнях материалов, устройств, архитектур и систем. Конечно, эта работа должна идти в ногу с развитием био- и нейротехнологий для решения ряда проблем, связанных в первую очередь с биосовместимостью, механическими эффектами, геометрией, расположением и миниатюризацией микроэлектродов и зондов, а также с реакцией живых организмов. культура/ткань на стыке с искусственной электронной подсистемой.

По словам Алексея Михайлова, концепция раскрывает идею создания системы «мозг-на-кристалле», относящейся к более общему классу мемристивных нейрогибридных систем для робототехники следующего поколения, искусственного интеллекта и персонализированной медицины.

Чтобы проиллюстрировать предлагаемые подходы и связанные продукты в обозримом масштабе времени, была предложена дорожная карта мемристивных нейроморфных и нейрогибридных систем. Основное внимание в дорожной карте будет уделяться разработке и коммерциализации специализированного аппаратного обеспечения с использованием архитектуры и принципов биологических нейронных сетей для поддержки разработки и массового внедрения технологий искусственного интеллекта, машинного обучения, нейропротезирования и нейронного интерфейса.

«Мы предполагаем, что у дорожной карты была отправная точка в 2008 году, точно так же, как началась текущая волна интереса к мемристорам, и эта дорожная карта включает текущие исследования и разработки в широких областях нейробиологии и нейрофизиологии», — комментирует Алексей Михайлов.

Следующие продуктовые ниши предусмотрены исследователями в дорожной карте на разных этапах работы в этом направлении: нейроморфные вычислительные устройства; неинвазивные нейронные интерфейсы; нейроимплантаты, нейропротезы и инвазивные нейронные интерфейсы и т. д.

«Уникальные свойства мемристивных устройств определяют их критическую важность в разработке прикладных нейроморфных и нейрогибридных систем для нейрокомпьютерных устройств, интерфейсов мозг-компьютер и нейропротезирования. Эти области займут значительную долю мирового рынка высоких технологий, оцениваемого в триллионы долларов к 2030 году, учитывая скорость разработки и внедрения технологий искусственного интеллекта, Интернета вещей, технологий «больших данных» и «умного города», робототехники и — в ближайшем будущем — нейропротезирования и инструментальной коррекции/поддержки/улучшения человеческие когнитивные способности «, — говорит Михайлов в заключение.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *