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Os cientistas utilizaram a Dopamina para fundem-se Perfeitamente Artificial e Neurônios Biológicos

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Em apenas meia década, neuromorphic dispositivos—ou o cérebro de inspiração de computação—já parecem curiosos. O atual queridinho? Artificial-biológica híbrido de computação, unindo ambos homem chips de computador e biológicos neurônios perfeitamente no semi-vida de circuitos.

Parece loucura, mas um novo estudo em A Natureza Dos Materiais mostra que é possível obter um neurônio artificial para se comunicar diretamente com um biológica, utilizando não só a electricidade, mas a dopamina, uma substância química do cérebro naturalmente usa para alterar a forma como os circuitos neurais se comportam, mais conhecido por sinalização recompensa.

Porque essas substâncias, conhecidas como “neurotransmissores”, são como os neurônios biológicos funcionalmente link no cérebro, o estudo é uma dramática demonstração de que é possível conectar artificial componentes biológicos e as células do cérebro para um circuito funcional.

A equipa não é o primeiro a buscar híbrido circuitos neurais. Anteriormente, uma equipe diferente ligado a dois a base de silicone artificiais de neurônios com uma biológico em um circuito usando elétrica protocolos sozinho. Apesar de uma poderosa demonstração de híbrido de computação, o estudo se baseou em apenas uma metade do cérebro computacional capacidade: elétrica de computação.

O novo estudo agora aborda a outra metade: química computação. Ele adiciona uma camada de compatibilidade que estabelece as bases não só para o cérebro inspirado em computadores, mas também para o cérebro-máquina, interfaces de e—talvez—uma espécie de “cyborg” futuro. Afinal, se o seu cérebro não pode dizer a diferença entre um neurônio artificial e o seu próprio, você pode? E mesmo se você não fez, você se importaria?

É claro que o cenário é de longe no futuro—se sempre. Por agora, a equipe, liderada pelo Dr. Alberto Salleo, professor de ciência dos materiais e engenharia na Universidade de Stanford, coletivamente, um suspiro de alívio que o circuito híbrido trabalhou.

“É uma demonstração de que esta comunicação fusão química e a eletricidade é possível”, disse Salleo. “Você poderia dizer que é um primeiro passo na direção de um cérebro-máquina interface, mas é um minúsculo, pequeno primeiro passo.”

Neuromorphic Computação

O estudo surgiu a partir de anos de trabalho em neuromorphic de computação, ou processamento de dados inspirado pelo cérebro.

O azul-céu ideia foi inspirada pelo cérebro enorme de computação paralela de recursos, juntamente com grande economia de energia. Imitando a essas propriedades, os cientistas fundamentado, poderíamos potencialmente turbo-carga de computação. Neuromorphic dispositivos basicamente incorporar redes neurais artificiais em forma física—não de hardware, que imita a forma como o cérebro processa a informação ser ainda mais eficiente e poderosa?

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Estas explorações levou ao romance neuromorphic fichas, ou artificiais de neurônios que o “fogo” como as biológicas. Trabalho adicional, descobriu que é possível vincular esses chips em poderosos circuitos que executam uma aprendizagem mais profunda com facilidade, com bioengineered comunicação nós chamados de sinapses artificiais.

Como um potencial de substituição de hardware de computação, estes sistemas têm provado ser extremamente promissor. Ainda assim, os cientistas logo perguntou: dada a sua semelhança com cérebros biológicos, podemos usá-los como “peças de reposição” para o cérebro que sofrem de lesões traumáticas, envelhecimento ou degeneração? Podemos ligar neuromorphic componentes para o cérebro para restaurar as suas capacidades?

Buzz & Química

Teoricamente, a resposta é sim.

Mas há um problema enorme: a corrente do cérebro-máquina apenas para interfaces de utilização de sinais elétricos para imitar neural computation. O cérebro, em contraste, tem dois truques na manga: eletricidade e produtos químicos ou eletroquímicos.

Dentro de um neurônio, luz viaja até a sua entrada ramos, através do corpo bulboso, em seguida, para a saída de ramos. Quando os sinais elétricos alcançar o neurônio de saída do “piers,” pontilhadas ao longo da saída do ramo, no entanto, eles batem um obstáculo. Uma pequena diferença que existe entre os neurônios, por isso, para chegar ao outro lado, os sinais elétricos em geral precisam ser convertido em pequena bolha de navios, refeições com produtos químicos, e partiu para o outro neuronal da costa.

Em outras palavras, sem sinais químicos, o cérebro não pode funcionar normalmente. Esses neurotransmissores e não apenas passivamente transportar informações. A dopamina, por exemplo, pode alterar drasticamente a forma como um circuito neural funções. Para uma artificial-biológica híbrido o sistema neural, a ausência de química é como nixing internacional de navios de carga, e só furar com terra baseados em trens e rodovias.

“Para emular biológica sináptica comportamento, a conectividade do neuromorphic dispositivo deve ser dinamicamente regulamentada pelo local neurotransmissor atividade,” a equipe disse.

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Vamos Electro-Química

O novo estudo começou com dois neurônios: o montante, uma imortalizado célula biológica que libera dopamina; e a jusante, um neurônio artificial que a equipe anteriormente introduzido em 2017, feita de uma mistura de biocompatíveis e elétricos, a realização de materiais.

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Ao invés do clássico neurônio forma, a imagem de mais de um sanduíche com um pedaço mordido no meio (sim, eu sou totalmente sério). Cada uma das restantes partes do sanduíche é um soft eletrodo, feito de polímeros biológicos. O mordido “fora” tem uma solução condutora que pode transmitir sinais elétricos.

A célula biológica senta-se perto do primeiro eletrodo. Quando ativado, ele despeja barcos de dopamina, o que deriva para o eletrodo e reagem quimicamente com ele, imitando o processo de dopamina encaixe em um neurônio biológico. Este, por sua vez, gera uma corrente que passou para o segundo eletrodo através de condutores de solução de canal. Quando essa corrente atinge o segundo eletrodo, ele altera o eléctrodo de condutância, isto é, o quão bem ele pode passar informações elétricas. Essa segunda etapa é análoga à ancorada dopamina “enviado” alterar o quão provável é que um neurônio biológico irá lançar no futuro.

Em outras palavras, a libertação de dopamina do neurônio biológico interage com a artificial, de modo que a mudança de produtos químicos como a jusante do neurônio comporta-se de forma duradoura—uma solto imitar o que acontece dentro do cérebro durante a aprendizagem.

Mas isso não é tudo. Sinalização químico é especialmente potente no cérebro, porque é flexível. A dopamina, por exemplo, só agarra a jusante neurônios para um pouco antes, ele volta para seu montante neurônio—que é, reciclados ou destruídos. Isso significa que o seu efeito é temporário, dando o circuito neural da respiração sala de reajustar a sua actividade.

A equipe de Stanford também tentou reconstruir esta peculiaridade em seu circuito híbrido. Eles fizeram um microfluidic canal que joga tanto a dopamina e o seu subproduto de distância do artificiais de neurônios depois de terem feito o seu trabalho de reciclagem.

Juntando Tudo

Após a confirmação de que células biológicas podem sobreviver feliz em cima do artificial, a equipe realizou alguns testes para ver se o circuito híbrido poderia “aprender”.

Eles usaram métodos eléctricos para ativar primeiro o biológico dopamina neurônio, e vi o artificial. Antes do experimento, a equipe não sabia ao certo o que esperar. Teoricamente, fazia sentido que a dopamina seria alterar o neurônio artificial é a condutância, semelhante à aprendizagem. Mas “era difícil saber se iríamos conseguir o resultado que o previsto em papel, até que vi isso acontecer no laboratório”, disse o autor do estudo, Scott Keene.

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Na primeira tentativa, no entanto, a equipe descobriu que a explosão de sinalização químico foi capaz de alterar o neurônio artificial é a condutância de longo prazo, semelhante à neurociência dogma “de neurônios que o fogo juntos, fios juntos.” Ativando o montante neurônio biológico com produtos químicos também mudou o neurônio artificial é a condutância de uma forma que imitava a aprendizagem.

“Quando percebemos o potencial que este tem para imitar a longo prazo do processo de aprendizagem de uma sinapse”, disse Keene.

Visualização sob um microscópio eletrônico, a equipe descobriu que, semelhante ao seu biológica contrapartida, o híbrido sinapse foi capaz de eficiência de reciclagem de dopamina com prazos semelhantes para o cérebro, depois de alguns calibração. Jogando com a quantidade de dopamina acumula no neurônio artificial, a equipe descobriu que eles vagamente imitar uma regra de aprendizagem chamado de pico de aprendizagem—um queridinho de aprendizado de máquina inspirado pelo cérebro da computação.

Um Híbrido Futuro?

Infelizmente para cyborg entusiastas, o trabalho ainda está em sua infância.

Por um lado, os neurônios artificiais são ainda bastante volumosos comparado com as biológicas. Isso significa que eles não podem captar e traduzir informações a partir de um único “barco” de dopamina. É também claro se, e como, um híbrido, uma sinapse pode trabalhar dentro de um cérebro vivo. Dada a bilhões de sinapses distância de disparo em nossas cabeças, ele vai ser um desafio para encontrar e substituir aqueles que precisam de substituição, e ser capaz de controlar nossas memórias e comportamentos semelhantes aos naturais.

O que disse, nós estamos avançando cada vez mais perto do total-capacidade de artificial-biológica híbrido circuitos.

“A neurotransmissão mediada neuromorphic dispositivo apresentado neste trabalho constitui um bloco de construção fundamental para redes neurais artificiais, que podem ser diretamente modulada com base biológica, comentários de viver neurônios,” concluíram os autores. “[It] é um primeiro passo essencial para a realização da próxima geração adaptativa biohybrid interfaces.”

Crédito da imagem: Gerd Altmann de Pixabay

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