Нанодротові мережі навчаються та запам’ятовують, як людський мозок

Міжнародна група під керівництвом вчених із Сіднейського університету продемонструвала, що нанодротові мережі можуть проявляти як короткочасну, так і довготривалу пам’ять, як людський мозок. Дослідження опубліковано сьогодні в журналі Science Advances під керівництвом доктора Алона Лоффлера, який здобув ступінь доктора філософії. у школі фізики разом зі співробітниками в Японії.

«У цьому дослідженні ми виявили, що когнітивну функцію вищого порядку, яку ми зазвичай пов’язуємо з людським мозком, можна імітувати в небіологічному апаратному забезпеченні», — сказав доктор Леффлер. «Ця робота ґрунтується на наших попередніх дослідженнях, у яких ми показали, як нанотехнології можуть бути використані для створення електричного пристрою, натхненного мозком, зі схемою, схожою на нейронну мережу і передачею сигналів, схожою на синапс.

«Наша нинішня робота прокладає шлях до відтворення подібного до мозку навчання та пам’яті в небіологічних апаратних системах і припускає, що основна природа подібного до мозку інтелекту може бути фізичною».

Нанодротяні мережі – це тип нанотехнології, який зазвичай виготовляється з крихітних високопровідних срібних дротів, невидимих ​​неозброєним оком, покритих пластиковим матеріалом, які розкидані один на одному, як сітка. Дроти імітують аспекти мережевої фізичної структури людського мозку.

Прогрес у нанодротяних мережах може передвіщати багато реальних додатків, таких як вдосконалення робототехніки або сенсорних пристроїв, яким потрібно швидко приймати рішення в непередбачуваних середовищах.

«Ця нанодротяна мережа схожа на синтетичну нейронну мережу, тому що нанодроти діють як нейрони, а місця, де вони з’єднуються один з одним, аналогічні синапсам», — сказала старший автор, професор Зденка Кунчіч зі Школи фізики. «Замість того, щоб реалізувати якесь завдання машинного навчання, у цьому дослідженні д-р Леффлер зробив ще один крок далі й спробував продемонструвати, що нанодротяні мережі демонструють певну когнітивну функцію».

Щоб перевірити можливості нанодротяної мережі, дослідники провели для неї тест, схожий на звичайне завдання пам’яті, яке використовується в експериментах з людською психологією, під назвою завдання N-Back.

Для людини завдання N-Back може передбачати запам’ятовування конкретного зображення кота з серії зображень котячих, представлених у послідовності. Оцінка N-Back 7, середня для людей, означає, що людина може розпізнати те саме зображення, яке з’явилося на сім кроків назад. У застосуванні до нанодротяної мережі дослідники виявили, що вона може «запам’ятати» бажану кінцеву точку в електричному ланцюзі на сім кроків назад, що означає 7 балів у тесті N-Back.

«Ми маніпулювали напругою кінцевих електродів, щоб змусити шляхи змінюватися, а не дозволяли мережі просто робити свої справи. Ми змусили шляхи йти туди, куди ми хотіли», — сказав доктор Леффлер.

«Коли ми реалізуємо це, його пам’ять має набагато вищу точність і насправді не зменшується з часом, що говорить про те, що ми знайшли спосіб зміцнити шляхи, щоб підштовхнути їх туди, куди ми хочемо, а потім мережа запам’ятовує це.

«Нейробологи вважають, що так працює мозок, певні синаптичні зв’язки зміцнюються, а інші слабшають, і вважають, що це те, як ми запам’ятовуємо деякі речі, як ми навчаємося тощо».

Дослідники кажуть, що коли мережа нанодротів постійно зміцнюється, вона досягає точки, коли це зміцнення більше не потрібно, оскільки інформація консолідується в пам’яті. «Це схоже на різницю між довготривалою та короткочасною пам’яттю в нашому мозку», — сказав професор Кунчич.

«Якщо ми хочемо запам’ятати щось протягом тривалого періоду часу, нам справді потрібно продовжувати тренувати наш мозок, щоб консолідувати це, інакше це просто зникає з часом. «Одне завдання показало, що нанодротяна мережа може зберігати до семи елементів у пам’яті на значно вищому рівні випадковості без навчання підкріплення та з майже ідеальною точністю при навчанні підкріплення».