前沿丨人造突觸問(wèn)世，計算機模擬人腦不是夢(mèng)

　　近日，斯坦福大學(xué)和桑迪亞國家實(shí)驗室的研究人員們構建出了一種人工突觸，這種突觸提高了計算機模擬人腦的效率，有力地促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展。

　　“它就像真的突觸一樣，但它的確是人工設計的有機電子器件”，阿爾佩托·薩萊奧介紹道。他是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系的副教授，同時(shí)也是本篇論文的資深作者?！按饲皬膩?lái)沒(méi)有報道過(guò)類(lèi)似的結構，所以這完全是一種嶄新的器件。此外，這種器件在很多關(guān)鍵參數上也優(yōu)于無(wú)機器件?！?/p>

　　該種新型人工突觸不但成功地模仿了人腦中的突觸傳遞信號的方式，而且能效也超過(guò)了傳統計算機。計算機處理信息和存儲信息是利用不同器件分別進(jìn)行的。而在大腦中，進(jìn)行信息處理的同時(shí)也自動(dòng)儲存了記憶。這項研究于近日發(fā)表在《自然·材料》上。將來(lái)，這種突觸不但可能成為高仿人腦計算機中的一部分，而且還尤其適用于通過(guò)采集視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信號來(lái)工作的計算機。這方面已有應用實(shí)例，如聲控界面和無(wú)人駕駛汽車(chē)。

　　自動(dòng)完成存儲

　　在學(xué)習時(shí)，大腦中的神經(jīng)元之間會(huì )傳遞電信號。這其中，信號在突觸之間的首次傳遞是最耗能的。此后的每一次，所需的能量都會(huì )減少。這也解釋了為什么突觸能夠有效地幫助我們學(xué)習新事物以及記住學(xué)過(guò)的東西。這種人工突觸，與其他人腦計算機不同，它不僅可以同時(shí)完成這兩項任務(wù)，還節約了大量能量。

　　“深度學(xué)習算法雖然很強大，但是它依靠處理器的計算、電位狀態(tài)的模擬，以及信息的存儲，就能耗和時(shí)間兩方面來(lái)說(shuō)，效率低下”，范德·布格特評論道。他此前是薩萊奧實(shí)驗室的博士后，也是本篇論文的第一作者?！安煌谀M神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，我們的工作是構建一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )?！?/p>

　　人工突觸的設計靈感源自電池。它有三個(gè)電極，電極本身由兩個(gè)柔性薄膜組成，電極間則通過(guò)鹽水電解液連接。這個(gè)設備工作起來(lái)就像晶體管那樣，兩個(gè)電極之間的電流，由第三個(gè)電極控制。

　　研究人員使人工突觸反復地充放電，以此效仿人類(lèi)通過(guò)不斷學(xué)習，來(lái)強化大腦中神經(jīng)通路的過(guò)程。通過(guò)這種訓練，研究人員能夠預測突觸達到特定的電位狀態(tài)所需的電壓，而突觸一旦達到特定狀態(tài)就能夠將其保持下去。這種方法的不確定性?xún)H有1%。換句話(huà)說(shuō)，人工突觸不像普通的計算機那樣，在關(guān)閉前，需要將工作存入硬盤(pán)，它可以自動(dòng)完成存儲而不需要其他操作和組件。

　　模擬人腦很節能

　　研究人員雖然只構建出一個(gè)人工突觸，但是卻在它的身上進(jìn)行了15000次測量實(shí)驗，來(lái)探索人工突觸如何在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中排列。他們測試了模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )識別數字0到9的能力，測試量為三個(gè)數據集，結果表明其準確率達到了93%到97%。

　　雖然這個(gè)任務(wù)對于人類(lèi)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但是傳統計算機因難以轉換視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信號，而困難重重。

　　桑迪亞國家實(shí)驗室的技術(shù)人員希望將該設備用于人腦模擬計算，“我們已經(jīng)證明，這種人工突觸是運行此類(lèi)算法的理想設備，它很節能”。

　　這種設備極其適用于信號的識別和分類(lèi)，而這恰恰是傳統計算機的瓶頸。數字晶體管只有0和1兩種狀態(tài)，研究人員卻在人工突觸上成功地實(shí)現了500種狀態(tài)，這對神經(jīng)元形態(tài)計算模型十分有用。在兩種狀態(tài)的轉換中，人工突觸只需花費少許能量，僅相當于頂尖級計算系統將數據從處理單元移動(dòng)到存儲器過(guò)程中能耗的十分之一。

　　人工突觸雖然已經(jīng)如此節能，但是其耗能大約仍是生物體中的突觸傳遞信號時(shí)最小耗能的10000倍。研究人員希望較小設備上人工突觸的能耗效率，能夠達到神經(jīng)元水平。

　　具備有機體潛能

　　該設備中的每個(gè)部分都由便宜的有機材料制成。這些材料雖然都是人工合成的，但是主要由氫、碳兩種元素組成，與大腦的化學(xué)環(huán)境兼容。細胞可以在這些材料上生長(cháng)，這類(lèi)材料也可用于制作輸送神經(jīng)遞質(zhì)的人工泵。此外，用于訓練人工突觸的電壓也與人體神經(jīng)元的電壓相同。

　　上述這些意味著(zhù)，人工突觸可以和活神經(jīng)元通信，進(jìn)而促進(jìn)腦機接口技術(shù)的發(fā)展。這種柔軟而靈活的材料適用于生物環(huán)境。然而，在應用于生物體之前，研究團隊打算利用人工突觸搭建真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )陣列，以便進(jìn)行更深入的研究和測試。