Учёные подсмотрели у природы и создали нейрон на белковых нанопроводах, впервые работающий как настоящий

Читать в полной версии

Очевидно, что выбранный наукой путь к созданию искусственного интеллекта сопряжён с невероятным потреблением энергии. Если это не «хитрый план» подорвать экономику соперников, то просто недальновидная трата ресурсов планеты. Природа давно уже придумала интеллект, достаточно энергоэффективный, чтобы не пропасть в пучине эволюции биологической жизни на Земле. Осталось воплотить разработки природы в «железе» и, похоже, это произойдёт раньше, чем позже.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Учёные из Университета Массачусетса в Амхерсте (UMass) разработали искусственный нейрон, который имитирует поведение и «массогабаритные» характеристики реальных нейронов: по размеру, энергопотреблению, силе сигнала, временным характеристикам и чувствительности к химическим сигналам. Последнее — наиболее важное свойство, поскольку нервная система живых организмов и человека в частности работает не только с электрическим потенциалом, но и с нейромедиаторами — химическими соединениями, возбуждающими электрический сигнал в нейронах.

Разработчики, ничуть не стесняясь, заявили о прорыве в биоэлектронике, который позволит объединить электронику и биологию для более эффективной обработки данных, аналогичной работе мозга, функционирующего при сравнительно низком энергопотреблении по сравнению с современными ИИ-моделями вроде ChatGPT. Исследование также подчёркивает потенциал таких нейронов в медицине, вычислительной технике и интерфейсах мозг-машина, что способно решить проблему несоответствия сигналов между искусственными (высоковольтными) и биологическими (низковольтными) системами.

Искусственный нейрон построен на базе мемристора — памяти на основе изменения сопротивления ячейки, использовавшего белковые нанопровода из бактерии Geobacter sulfurreducens. Эти нанопровода позволили снизить напряжение переключения элемента до 60 мВ и ток до 1,7 нА, что соответствует биологическим уровням и оказалось в 10 раз эффективнее предыдущих аналогов (напомним, электроника обычно работает от 500 мВ и выше). Мемристор был интегрирован в цепь из конденсатора и резистора для имитации фаз нейронной активности — от накопления заряда до его всплеска и последующей стабилизации для новой работы. Кроме того, в схему были добавлены химические сенсоры для обнаружения ионов (например, натрия) и нейромедиаторов (дофамина), чтобы имитировать нейромодуляцию — ту самую реакцию нейронов на химические вещества, например, на кофеин в чашке утреннего кофе.

Источник изображения: Nature Communications 2025

Разработанный учёными нейрон генерировал импульсы с энергией, сравнимой с биологической (0,2–37 пДж), и продемонстрировал частотный отклик, регулируемый химическими сигналами. При подключении к кардиомиоцитам (клеткам сердечной мышечной ткани) из стволовых клеток человека через графеновую сенсорную сетку он в реальном времени смог регистрировать электрические сигналы, отличая нормальную активность от изменений под влиянием норадреналина, что повышало частоту импульсов — вызывало условное учащённое сердцебиение. Тем самым учёные показали, что живые клетки могут без проблем сопрягаться с электроникой и всё это прекрасно работает в связке.

Прототип открывает путь к энергоэффективным датчикам для мониторинга клеток, реакции на лекарства и даже восстановления повреждённых нейронных цепей, возникающих при серьёзных травмах мозга или позвоночника. В будущем такие нейроны могут улучшить интерфейсы мозг-машина и создать вычислители на основе биологических систем, интегрируясь с живой тканью без промежуточных преобразований.