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首页>vwinchina德赢>新的大脑计算设备模拟人类学习:研究人员通过协会学习的调节装置,如Pavlov的狗

文摘:
�新的“突触晶体管”通过同时处理,存储数据来模拟大脑的可塑性
�研究人员将突触晶体管连接到一个类似于大脑的装置中,演示了联合学习
�帕尔科夫的狗如何与食物相关联的狗,新颖的设备被调节以将光与压力相关联
经过五轮训练后,光就可以触发信号,而不需要手指按压

新型类脑计算设备模拟人类学习:研究人员对设备进行条件设置,使其通过联想进行学习,就像巴甫洛夫的狗一样

埃文斯顿,IL |发表于2021年4月30日

研究人员已经开发出一种类似大脑的计算设备,能够通过联想进行学习。



美国西北大学和香港大学的研究人员成功地调节了狗的神经回路,使之将光与压力联系起来,这与著名的生理学家巴甫洛夫使狗将铃铛与食物联系起来的方法类似。



这项研究今天(4月30日)发表在《自然通讯》杂志上。



该设备的秘密在于其新颖的有机电化学突触晶体管,它可以像人脑一样同时处理和存储信息。研究人员证明,晶体管可以模拟人类大脑突触的短期和长期可塑性,建立在记忆的基础上,随着时间的推移而学习。



这种新型晶体管和电路具有类似大脑的能力,有可能克服传统计算的局限性,包括耗能硬件和同时执行多项任务的有限能力。该类脑装置还具有较高的容错性,即使部分部件出现故障,仍能顺利运行。



�虽然现代电脑很出色,但人类大脑在一些复杂和非结构化的任务中可以轻松地表达它,例如模式识别,电机控制和多思考集成,�在研究的高级作者中西北�乔纳森·乔纳扬◦由于突触的可塑性,这是脑卒中计算能力的基本构建块。这些突触使大脑能够以高度平行,容错和节能的方式工作。在我们的工作中,我们展示了一种用于模仿生物突触的关键功能的有机塑料晶体管。



Rivnay是西北大学麦考密克工程学院生物医学工程的助理教授。他与香港大学(University of Hong Kong)机械工程副教授陈培(Paddy Chan)共同领导了这项研究。季旭东,Rivnay团队的博士后研究员,论文第一作者。



传统计算问题



传统的数字计算系统有独立的处理和存储单元,导致数据密集型任务消耗大量能源。受人脑中计算和存储过程结合的启发,研究人员近年来一直在寻求开发操作更像人脑的计算机,其功能类似于神经元网络的设备阵列。



�我们目前的计算机系统工作的方式是存储器和逻辑物理分离,�姬说。�您执行计算并将该信息发送到存储器单元。然后每次想要检索该信息时,您都必须召回它。如果我们可以将这两个单独的功能带到一起,我们可以节省空间并节省能源成本。



目前,存储器电阻或�MEMRISTOR,�是最良好开发的技术,可以执行组合处理和内存功能,但丢失仪遭受能量昂贵的切换和更少的生物相容性。这些缺点LED研究人员对突触晶体管�特别是有机电化学突触晶体管,其以低电压,连续可调记忆和对生物应用的高相容性。仍然存在挑战。



�even高性能有机电化学突触晶体管要求写入操作与读取操作分离,�RIVNay表示。�如果要保留内存,则必须将其与写入过程断开连接,这可以将集成与电路或系统一起复杂化。



突触晶体管是如何工作的



为了克服这些挑战,西北大学和香港大学的团队在有机电化学晶体管中优化了一种可捕获离子的导电塑料材料。在大脑中,突触是一种结构,一个神经元可以通过它将信号传递给另一个神经元,使用的是一种叫做神经递质的小分子。在突触晶体管中,离子的行为类似于神经递质,在终端之间发送信号,形成一个人工突触。通过从捕获的离子中保存数据,晶体管可以记住以前的活动,从而发展出长期的可塑性。



研究人员通过将单个突触晶体管连接到一个神经形状电路来模拟关联学习来证明它们的突触行为。它们将压力和光传感器集成到电路中,并培训了电路,以彼此相互关联两个无关的物理输入(压力和光)。



联想学习最著名的例子也许是巴甫洛夫的狗,它遇到食物时自然会流口水。让狗狗将铃声与食物联系起来后,当它听到铃声时也开始流口水。对于神经形态电路,研究人员通过用手指按压来激活一个电压。为了使电路与光和压力相关联,研究人员首先应用来自LED灯泡的脉冲光,然后立即施加压力。在这种情况下,压力就是食物,光线就是钟声。设备对应的传感器检测到这两个输入。



在一个训练周期后,电路在光和压力之间建立了一个初始连接。在5个训练周期后,回路显著地将光与压力联系起来。光,单独,能够触发一个信号,或非条件反应



未来的应用程序



因为突触电路是由柔软的聚合物制成的,就像塑料一样,它可以很容易地被制作在柔软的薄片上,很容易地被集成到柔软的、可穿戴的电子产品、智能机器人和可植入的设备中,这些设备可以直接与活体组织甚至大脑接触。



Rivnay说:“虽然我们的应用只是一个概念验证,但我们提出的电路可以进一步扩展,包括更多的感官输入,并与其他电子设备集成,实现现场低功耗计算。”由于与生物环境兼容,该设备可以直接与活体组织连接,这对下一代生物电子学至关重要



本研究,▍使用离子捕获的非易失性突触有机电化学晶体管的临时学习,由国家科学基金会(奖项DMR-1751308),港澳研究基金(奖励号码HKU 17264016和香港)支持17204517)和中国国家自然科学基金。

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阿曼达·莫里斯

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