Sztuczne synapsy ze światłowodów: do syntetycznego neuronu coraz bliżej

Kolejnym ostrzeżeniom przed sztucznymi inteligencjami ze strony ludzi takich jak Steven Hawking, Bill Gates czy Elon Musk towarzyszą kolejne znaczące postępy w tej dziedzinie, dotyczące zarówno sprzętu jak i oprogramowania. IBM zabłysnął swoimi neuroczipami TrueNorth, Google pochwaliło się rozwiązaniem problemu selektywnej uwagi w pamięci sieci neuronowych, a teraz singapurscy badacze chwalą się stworzeniem sztucznej synapsy. Dzięki niej możliwe będzie odtworzenie wielu zjawisk zachodzących w biologicznych systemach nerwowych, umykających dotąd ich sztucznym odpowiednikom.

Tytułowi pracy opublikowanej na łamach naukowego periodyku Advanced Optical Materials nie brakuje śmiałości: Amorphous Metal-Sulphide Microfibers Enable Photonic Synapses for Brain-Like Computing. Naukowcy z politechniki Nanyang w Singapurze przedstawiają w niej konstrukcję fotonicznych synaps – mikrowłókien wykonanych ze związków zwanych chalkogenkami. W tym konkretnym wypadku wykorzystano znane w przemyśle włókno GaLaSO, w którego składzie znajdziemy gal, lantant, siarkę i tlen. Zachodzący w nim efekt fotościemnienia przejawia się jako ulotna lub nieulotna redukcja przepustowości włókna w wyniku ekspozycji na światło o określonej częstotliwości i intensywności.

Odpowiednia konfiguracja takiego włókna pozwala w pełni odwzorować charakterystykę transmisji biologicznych aksonów, wraz z ich zdolnością do depolaryzacji lub hiperpolaryzacji błony komórkowej (krótkotrwałej blokady przewodzenia impulsu). Badacze uzyskali taką konfigurację używając do oświetlenia włókna dwóch źródeł światła, o długości 532 nm (do presynaptycznej części) i 650 nm (do aksonu).

Połączenie takich włókien w sieć ma dać gotową, prostą neuromorficzną maszynę obliczeniową, która jest znacznie efektywniejszą repliką biologicznych struktur, niż dzisiejsze symulacje software'owe czy realizacje elektroniczne. Autorzy pracy podkreślają, że w złożonych środowiskach te nieorganiczne rozwiązania takie były o sześć do dziewięciu rzędów wielkości mniej efektywne od biologicznych sieci nerwowych. Symulacja 5 sekund aktywności mózgu na wydajnym superkomputerze zajmowała 500 sekund i zużywała 1,4 MW energii. Optyczne włókna mogą zużywać mniej energii, niż biologiczna sieć nerwowa i działać ze znacznie większymi częstotliwościami.

Oczywiście odtworzenie z włókien optycznych samych sztucznych synaps nie wystarczy, by mówić o odtworzeniu systemu nerwowego. Brakuje tu struktur analogicznych do dendrytów, brakuje kontroli przepływem impulsów, realizowanych przez neurony kandelabrowe. Nie pokazano też żadnych typowych dla mózgu zjawisk obliczeniowych, zachodzących w takiej strukturze. Jest to jednak pierwszy poważny krok w stronę budowy syntetycznych neuronów, które byłyby czymś więcej niż symulacją – i które mogłyby umożliwić budowanie sztucznych inteligencji znacznie efektywniejszych, niż to, czym dysponujemy obecnie.