▲ 이미지 출처: Gerd Altmann

불과 반년 만에, 신경 형태의 장치 또는 뇌에서 영감을 얻은 컴퓨팅은 이미 기묘한 것처럼 보인다. 인공-생물학적 하이브리드 컴퓨팅인공컴퓨터 칩과 생물학적 뉴런을 세미-리빙 회로로 완벽하게 통합한다.

 

미친 소리처럼 들리지만 Nature Materials의 새로운 연구에 따르면 인공 뉴런이 전기 뿐만 아니라 생물학적 뉴런과 직접 통신할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그러나 뇌가 자연적으로 신경 회로가 행동하는 방식을 바꾸는데 사용되는 화학 물질인 도파민(dopamine)은 신호 보상으로 가장 잘 알려져 있다.

 

“신경 전달 물질로 알려진 이러한 화학 물질이 생물학적 뉴런이 뇌에서 기능적으로 연결되는 방식이기 때문에 이 연구는 인공 두뇌와 생물학적 뇌 세포를 기능적 회로에 연결할 수 있다는 극적인 증거이다.

 

이 팀은 하이브리드 신경 회로를 최초로 추구한 것은 아니다. 이전에는 다른 팀이 전기 프로토콜을 사용하여 생물학적으로 하나의 실리콘 기반 인공 뉴런을 회로에 연결했다. 하이브리드 컴퓨팅에 대한 강력한 데모가 있었지만 이 연구는 뇌의 전산 능력의 절반에만 의존했다: 전기 컴퓨팅.

 

새로운 연구는 화학 컴퓨팅이라는 다른 절반을 다루고 있다. 또한 뇌에서 영감을 얻은 컴퓨터뿐만 아니라 뇌-기계 인터페이스 및 아마도 일종의 "사이보그"미래를 위한 토대를 마련하는 호환성 계층을 추가한다. 결국, 뇌가 인공 뉴런과 자신의 뉴런의 차이를 알 수 없다면 어떻게 할 수 있을까그리고 당신이 하더라도 걱정하지 않겠는가?

 

물론, 그 시나리오는 미래에도 먼 미래이다. 스탠포드대학의 재료과학 및 공학 교수 알베르토 살레오(Alberto Salleo) 박사가 이끄는 팀은 현재 하이브리드 회로가 작동하는 안도의 한숨을 쉬었다. "이 커뮤니케이션 멜팅 화학과 전기가 가능하다는 것은 시연이다."살레오가 말했다. "-기계 인터페이스를 향한 첫 걸음이라고 할 수 있지만 아주 작고 첫 걸음이다."

  

신경성 컴퓨팅

이 연구는 수년간의 작업에서 신경성 컴퓨팅 또는 뇌에서 영감을 얻은 데이터 처리로 발전했다. 이 뜬구름 잡는 아이디어는 뇌의 방대한 병렬 컴퓨팅 기능과 엄청난 에너지 절약에서 영감을 받았다. 과학자들은 이러한 특성을 모방함으로써 잠재적으로 컴퓨터를 터보 차지할 수 있다고 추론했다. 신경성 장치는 기본적으로 인공 신경 네트워크를 물리적 형태로 구현한다. 뇌가 정보를 더욱 효율적이고 강력하게 처리하는 방식을 모방하는 하드웨어는 아닐까? 

이 탐사에 의해 새로운 신경성 칩(neuromorphic chips) 또는 인공적인 뉴런이 생겨 났으며 생물학적 뉴런과 같이발화되었다. 추가 연구에 따르면 인공 시냅스라고 불리는 생체공학 통신 노드를 통해 이러한 칩을 딥 러닝을 쉽게 수행할 수 있는 강력한 회로에 연결할 수 있다.

 

잠재적인 컴퓨팅 하드웨어 교체로서 이러한 시스템은 매우 유망한 것으로 입증되었다. 그러나 과학자들은 곧 궁금했다. 생물학적 뇌와의 유사성을 고려할 때 외상성 상해, 노화 또는 퇴행으로 고통받는 뇌의 "대체 부분"으로 사용할 수 있을까?우리는 그 기능을 복원하기 위해 뇌에 신경 형태 구성 요소를 연결할 수 있을까?

 

 

버즈 및 화학

이론적으로 대답은 그렇다. 그러나 현재의 뇌-기계 인터페이스는 신경 신호를 모방하기 위해 전기 신호만을 사용한다. 반면에 뇌는 전기와 화학, 또는 전기 화학이라는 두 가지 속임수를 사용한다 

뉴런 내에서 전기는 들어오는 가지, 구근을 통과한 다음 출력 가지로 내려간다. 전기 신호가 출력 분기를 따라 점으로 표시되는 뉴런의 발신 "부두"에 도달하면 신호가 맞지 않는다. 뉴런 사이에는 작은 간격이 존재하므로 반대편으로 가려면 전기 신호를 일반적으로 작은 기포로 변환하고 화학 물질로 포장하고 다른 뉴런 해안으로 항해해야 한다.

 

, 화학 신호가 없으면 뇌가 정상적으로 기능할 수 없다. 이러한 신경 전달 물질은 수동적으로 정보를 전달하는 것이 아니다. 예를 들어도파민은 신경 회로의 기능을 극적으로 변화시킬 수 있다. 인공 생물학 하이브리드 신경 시스템의 경우 화학 물질이 없는 것은 국제 화물선을 선점하는 것과 같으며 육상 열차와 고속도로를 고수하는 것과 같다.

 

전기 화학을 살펴보자 

새로운 연구는 두 개의 뉴런으로 시작되었다. 상류, 도파민을 방출하는 불멸화 된 생물학적 세포; 그리고 2017년에 팀이 도입한 인공 뉴런인 다운 스트림은 생체 적합성 및 전기 전도성 재료의 혼합으로 만들어졌다.

고전적인 뉴런 모양이 아니라 중간에 물린 덩어리가 있는 샌드위치를 더 많이 그려보라. (그렇다, 나는 진지하다). 샌드위치의 나머지 부분 각각은 생물학적 중합체로 만들어진 연질 전극이다. “비트 아웃부분에는 전기 신호를 전달할 수 있는 전도성 솔루션이 있다.  

생물학적 세포는 제1전극에 가깝게 위치한다. 활성화되면 도파민 보트를 버려 전극에 드리프트하고 화학적으로 반응하여 생물학적 뉴런에 도파민 도킹 과정을 모방한다. 이것은 차례로 전도성 용액 채널을 통해 두 번째 전극으로 전달되는 전류를 생성한다. 이 전류가 두 번째 전극에 도달하면 전극의 컨덕턴스, 즉 전기 정보를 얼마나 잘 전달할 수 있는지가 변경된다. 이 두 번째 단계는 도킹 된 도파민 "선박"과 유사하며, 미래에 생물학적 뉴런이 발사될 가능성을 변경한다.

 

다시 말해서, 생물학적 뉴런으로부터의 도파민 방출은 인공적인 뉴런과 상호작용하여, 화학 물질은 다운 스트림 뉴런이 다소 지속되는 방식으로 학습하는 동안 뇌 내부에서 일어나는 일의 느슨한 모방을 변화시킨다.

 

그러나 이것이 전부는 아니다. 화학 신호는 유연하기 때문에 뇌에서 특히 강력하다. 예를 들어, 도파민은 다운 스트림 뉴런으로 조금만 잡아당겨 다시 업 스트림 뉴런으로 돌아오기, 즉 재활용 또는 파괴된다. 이것은 그 효과가 일시적이며 신경 회로 호흡 공간이 활동을 재조정할 수 있음을 의미한다.

 

스탠포드 팀은 하이브리드 회로에서 이 문제를 재구성하려고 시도했다. 그들은 재활용을 위해 일을 한 후에 도파민과 부산물을 인공 뉴런으로부터 멀어지게 하는 미세 유체 채널을 만들었다.

 

종합하자면, 생물 세포가 인공 세포 위에서 행복하게 생존할 수 있음을 확인한 후, 팀은 하이브리드 회로가학습할 수 있는지 확인하기 위해 몇 가지 테스트를 수행했다. 

그들은 생물학적 방법을 사용하여 생물학적 도파민 뉴런을 먼저 활성화시키고 인공적인 것을 보았다. 실험 전에, 팀은 무엇을 기대해야 할지 확신하지 못했다. 이론적으로 도파민은 학습과 유사하게 인공 뉴런의 컨덕턴스를 변화시키는 것이 이치에 맞았다. 그러나 “실험실에서 일어날 때까지 종이에서 예측 한 결과를 달성할 수 있을지 알기 어려웠다.”고 연구 저자인 Scott Keene은 말했다.

 

그러나 첫 번째 시도에서, 연구팀은 화학 신호의 폭발이 신경 과학 교리함께 발사하는 뉴런, 서로 연결하는과 유사한 인공 뉴런의 컨덕턴스를 장기적으로 바꿀 수 있음을 발견했다. 화학 물질로 상류 생물학적 뉴런을 활성화시키면 학습을 흉내내는 방식으로 인공 뉴런의 컨덕턴스가 변경되었다. "이것이 시냅스의 장기 학습 과정을 모방할 수 있는 잠재력을 깨 달았을 때"라고 Keene이 말했다.

 

연구팀은 전자 현미경으로 시각화 하여 생물학적 대응 물과 유사하게 하이브리드 시냅스가 약간의 보정 후 뇌와 유사한 시간 척도로 도파민을 효율적으로 재활용할 수 있음을 발견했다. 인공 뉴런에 도파민이 얼마나 많이 축적되는지를 연구함으로써 팀은 뇌의 계산에서 영감을 얻은 기계학습의 멋진 스파이크 학습이라는 학습 규칙을 느슨하게 모방한 것으로 나타났다.

 

하이브리드 미래? 

유감스럽게도 사이보그 애호가에게는 아직 초기 단계이다. 우선인공 뉴런은 여전히 생물학적 뉴런에 비해 부피가 크다. , 단일 도파민 보트에서 정보를 수집하고 번역할 수 없다. 또한 하이브리드 시냅스가 살아있는 뇌 안에서 작동할 수 있는지, 그리고 어떻게 확실하지 않다. 우리 머리에서 수십억 개의 시냅스가 발사되면 교체가 필요한 사람들을 찾아서 바꾸고 자연의 것과 유사한 우리의 기억과 행동을 통제할 수 있어야한다. , 우리는 모든 기능을 갖춘 인공 생물학 하이브리드 회로에 더 가까이 다가가고 있다.

 

저자들은 “이 연구에서 제시된 신경 전달 물질-매개된 신경 형태 장치는 살아있는 뉴런으로부터의 생물학적 피드백에 기초하여 직접적으로 조절될 수 있는 인공 신경 네트워크의 기본 구성 요소를 구성한다. "이것은 차세대 적응형 바이오 하이브리드 인터페이스를 실현하는 데 있어 중요한 첫 번째 단계이다."

 

입력 : 2020.06.25 06:56    출처 : https://singularityhub.com/2020/06/23/in-a-hybrid-neural-circuit-artificial-and-biological-neurons-used-dopamine-to-communicate/
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