Нанопроводные сети обучаются и запоминают, как человеческий мозг

Международная группа под руководством ученых из Сиднейского университета продемонстрировала, что нанопроводные сети могут обладать как краткосрочной, так и долговременной памятью, подобно человеческому мозгу.

Исследование опубликовано сегодня в журнале Научные достижения, под руководством доктора Алона Леффлера, получившего докторскую степень. в Школе физики с сотрудниками в Японии.

«В этом исследовании мы обнаружили, что когнитивные функции более высокого порядка, которые мы обычно связываем с человеческим мозгом, можно эмулировать в небиологическом оборудовании», — сказал доктор Леффлер.

«Эта работа основана на нашем предыдущем исследовании, в котором мы показали, как нанотехнологии могут быть использованы для создания электрического устройства на основе мозга со схемами, подобными нейронным сетям, и сигналами, подобными синапсам.

«Наша текущая работа прокладывает путь к воспроизведению мозгоподобного обучения и памяти в небиологических аппаратных системах и предполагает, что основная природа мозгоподобного интеллекта может быть физической».

Нанопроводные сети — это тип нанотехнологий, обычно изготавливаемых из крошечных серебряных проводов с высокой проводимостью, невидимых невооруженным глазом, покрытых пластиковым материалом, которые разбросаны друг по другу, как сетка. Провода имитируют аспекты сетевой физической структуры человеческого мозга.

Достижения в области нанопроводных сетей могут предвещать множество реальных приложений, таких как улучшение робототехники или сенсорных устройств, которым необходимо быстро принимать решения в непредсказуемых условиях.

«Эта сеть нанопроволок похожа на синтетическую нейронную сеть, потому что нанопроволоки действуют как нейроны, а места, где они соединяются друг с другом, аналогичны синапсам», — говорит старший автор профессор Зденка Кунчич из Школы физики.

«Вместо того, чтобы реализовать какую-то задачу машинного обучения, в этом исследовании доктор Леффлер сделал еще один шаг вперед и попытался продемонстрировать, что нанопроводные сети выполняют какую-то когнитивную функцию».

Чтобы проверить возможности сети нанопроводов, исследователи дали ей тест, похожий на обычную задачу памяти, используемую в экспериментах по психологии человека, называемую задачей N-Back.

Для человека задание N-Back может включать в себя запоминание определенного изображения кошки из серии кошачьих изображений, представленных в последовательности. Оценка N-Back, равная 7, средняя для людей, указывает на то, что человек может распознать то же изображение, которое появилось семь шагов назад.

Применительно к сети нанопроводов исследователи обнаружили, что она может «запоминать» желаемую конечную точку в электрической цепи на семь шагов назад, что означает 7 баллов в тесте N-Back.

«Здесь мы манипулировали напряжениями концевых электродов, чтобы заставить пути измениться, вместо того, чтобы позволить сети просто делать свое дело. Мы заставили пути идти туда, куда мы хотели, — сказал доктор Леффлер.

«Когда мы реализовали это, его память имела гораздо более высокую точность и не уменьшалась со временем, предполагая, что мы нашли способ усилить пути, чтобы подтолкнуть их туда, где мы хотим, и тогда сеть запоминает это.

«Неврологи считают, что именно так работает мозг: одни синаптические связи усиливаются, а другие ослабевают, и считается, что именно так мы предпочтительнее запоминаем некоторые вещи, как мы учимся и так далее».

Исследователи сказали, что когда сеть нанопроводов постоянно укрепляется, она достигает точки, когда это укрепление больше не требуется, поскольку информация консолидируется в памяти.

«Это похоже на разницу между долговременной и кратковременной памятью в нашем мозгу», — сказал профессор Кунчич.

«Если мы хотим запомнить что-то в течение длительного периода времени, нам действительно нужно продолжать тренировать свой мозг, чтобы закрепить это, иначе со временем это просто исчезнет.

«Одна задача показала, что сеть нанопроводов может хранить в памяти до семи элементов на уровнях, значительно превышающих случайные, без обучения с подкреплением и с почти идеальной точностью при обучении с подкреплением».