Thành quả mới của các nhà khoa học Nga: Sáng chế nơron nhân tạo để nghiên cứu não bộ

Các nhà khoa học từ Đại học Tổng hợp Quốc gia Saratov (LB Nga) đã phát triển một nơron nhân tạo mới để phục vụ cho nghiên cứu về não bộ, thiết bị thần kinh nhân tạo (neuroprosthetics) và trí tuệ nhân tạo (AI).

CC0 / Pixabay.

Theo dữ liệu của họ, phát minh này vượt trội hơn phần lớn những mô hình tương tự về độ đơn giản và tiết kiệm kinh phí. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học hàng đầu Chaos, Solitons & Fractals.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Saratov Quốc gia mang tên N.G. Chernyshevsky đã thiết kế một bộ tạo dao động điện tử mô phỏng hoạt tính của nơron (nơron nhân tạo) kiểu FitzHugh–Nagumo. Trên cơ sở này, họ lấy một mạch điện có sẵn làm nền tảng, sau đó tiến hành tinh giản cấu trúc, loại bỏ những thành phần dư thừa, các mạch vòng lặp và nguồn điện không cần thiết để giảm mức tiêu thụ năng lượng. Mặt khác, họ vẫn bảo lưu những chế độ năng động quan trọng, trước hết là chế độ hoạt tính xung lực.

“Khi loại bỏ khỏi mô hình gần như tất cả các chi tiết thừa, chúng tôi đã nghĩ ra một mẹo rất thú vị: sử dụng một điốt trong mạch khuếch đại thuật toán, giúp cải thiện đáng kể đặc tính hoạt động của thiết bị. Dành cho sơ đồ mới, chúng tôi đã xây dựng được đặc tuyến dòng-áp (V-A), đồng thời đo được mối quan hệ giữa biên độ tín hiệu và điện trở của biến trở được dùng thay cho một điện trở điều khiển, làm cho việc thay đổi chế độ hoạt động trở nên dễ dàng hơn”, anh Liev Takaishvili nghiên cứu sinh Khoa Phân tích hệ thống và Điều khiển tự động của Đại học Quốc gia Saratov cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện đầy đủ chu trình phát triển nơron nhân tạo, giáo sư Ilya Sysoev cũng từ Khoa chuyên môn này nhận xét.

“Chúng tôi có một mô hình toán học, mô hình mô phỏng xây dựng trong trình mô phỏng mạch ngSPICE, và có cả mạch thực tế. Chúng tôi đã lắp ráp được bốn thiết bị hoàn chỉnh”, giáo sư Sysoev nói thêm.

Như giáo sư cho biết, nhóm nghiên cứu đã giải quyết được ba nhiệm vụ cơ bản: Thứ nhất là đơn giản hóa mạch điện gốc bằng cách loại bỏ những phần không cần thiết, nhưng vẫn bảo toàn được các dạng dao động chủ yếu. Thứ hai là tối ưu hóa dao động, sao cho giống hơn với xung điện sinh học của nơron thật. Thứ ba là đạt được gia tăng tính linh hoạt, bằng cách thay đổi số lượng điốt trong sơ đồ, có thể điều chỉnh được dạng xung khác nhau, tương tự như sự khác biệt về hình thái điện học giữa các loại nơron trong não: nơron tháp, interneuron, tế bào lưới và v.v…

“Có thể sử dụng sáng chế này trong nghiên cứu trí tuệ nhân tạo, công nghệ thần kinh nhân tạo, cũng như nghiên cứu cơ bản về não bộ”, giáo sư Vladimir Ponomarenko từ Khoa Mô hình Hóa động học và Kỹ thuật Y-Sinh của Đại học Quốc gia Saratov đánh giá.

Giáo sư Ponomarenko đặc biệt nhấn mạnh: “Một trong những ứng dụng triển vọng nhất là xây dựng sự sống nhân tạo”.

“Não bộ của động vật có vú gồm hàng tỷ nơron, và hiện nay chưa có công nghệ phần cứng nào đủ sức mô phỏng nó. Tuy nhiên, mô phỏng hệ thần kinh của giun tròn (nematode) hoặc ruồi giấm (drosophila) là điều hoàn toàn khả thi nếu sử dụng đúng mô hình nơron nhân tạo. Chúng tôi hy vọng rằng trong 12–15 năm tới, sẽ có được những “sinh vật nhân tạo” như vậy”.

Trong tương lai, các nhà khoa học Nga dự kiến cải thiện nâng cao đặc tính kỹ thuật của nơron nhân tạo này, cũng như tích hợp nó vào những hệ thống phức tạp để giải quyết các nhiệm vụ của Y-sinh học, robot học và nghiên cứu khoa học cơ bản. Đây là công việc liên ngành, đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các kỹ sư điện tử, nhà toán học, lập trình viên, chuyên gia sinh học và bác sĩ.