Ученые из Саратовского университета разработали инновационный искусственный нейрон, предназначенный для исследований головного мозга, нейропротезирования и развития искусственного интеллекта. По мнению исследователей, их разработка превосходит многие существующие аналоги благодаря своей простоте и экономической эффективности. Результаты этого труда были представлены в престижном научном издании Chaos, Solitons & Fractals.
Специалисты Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) создали новый электронный генератор, имитирующий нейронную активность, известный как искусственный нейрон типа ФитцХью–Нагумо. В процессе разработки они модифицировали существующую схему, сосредоточившись на минимизации компонентов, исключении избыточных цепей и источников питания для сокращения энергопотребления. При этом главной задачей было сохранение ключевых динамических режимов, особенно импульсной активности.
Аспирант кафедры системного анализа и автоматического управления СГУ Лев Такаишвили пояснил: «Мы значительно упростили схему, удалив большинство ненужных элементов, и внедрили уникальное решение с использованием диода в цепи операционного усилителя, что позволило существенно улучшить характеристики устройства. Для новой конфигурации были определены вольтамперные характеристики, а также изучена зависимость амплитуды сигнала от сопротивления потенциометра, заменившего один из управляющих резисторов, для облегчения настройки режимов генерации».
Профессор кафедры системного анализа и автоматического управления СГУ Илья Сысоев подчеркнул, что проект прошел полный цикл разработки. «Нами создана математическая модель, а также имитационная модель в симуляторе ngSPICE. Кроме того, реализовано четыре физических устройства», — добавил Сысоев.
Он отметил, что были успешно решены три ключевые задачи:
- Упрощение схемы: Ученые удалили избыточные компоненты, при этом сохранив базовые режимы осцилляций.
- Импульсная активность: Схема была модифицирована для достижения более импульсной формы колебаний, характерной для биологических нейронов.
- Модульность: Достигнута высокая степень модульности, позволяющая изменять форму колебаний путем регулирования количества диодов. Это позволяет имитировать различия между различными типами нейронов головного мозга, такими как пирамидальные, интернейроны и ретикулярные клетки.
Профессор кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии СГУ Владимир Пономаренко сообщил, что разработанный нейрон найдет применение в области искусственного интеллекта, нейропротезирования и фундаментальных исследований мозга.
«Одним из наиболее впечатляющих и многообещающих направлений применения электронных нейронов является создание искусственных организмов, — рассказал Пономаренко. — В то время как аппаратное моделирование мозга млекопитающих, состоящего из миллиардов нейронов, пока остается за пределами наших технических возможностей, имитация нервной системы нематод или мозга дрозофилы уже является более достижимой целью с использованием адекватных моделей искусственных нейронов. Мы рассчитываем, что в среднесрочной перспективе, примерно через 12-15 лет, создание таких искусственных существ станет реальностью».
В дальнейшем исследователи намерены совершенствовать характеристики искусственного нейрона и интегрировать его в комплексные системы для решения задач в биомедицине, робототехнике и фундаментальной науке. Этот междисциплинарный проект потребует взаимодействия специалистов в электронике, математике, программировании, биологии и медицине.
Проект был реализован благодаря поддержке программы «МОЗГ» Фонда «Идея» и гранта Российского научного фонда (РНФ).
Russian Scientists Create Artificial Neuron for Brain Research
Scientists from Saratov University have developed an innovative artificial neuron for brain research, neuroprosthetics, and artificial intelligence development. According to the researchers, their design surpasses many existing analogs in terms of simplicity and cost-effectiveness. The study results were published in the leading scientific journal Chaos, Solitons & Fractals.
Specialists from Saratov National Research State University (SSU) named after N.G. Chernyshevsky engineered a new electronic generator of neuron-like activity (artificial neuron) of the FitzHugh–Nagumo type. They took an existing circuit as a base and modified it, aiming to reduce the number of elements, eliminate redundant circuits, and power sources to lower energy consumption. At the same time, their main goal was to preserve important dynamic modes, primarily pulsed activity modes.
Lev Takaishvili, a postgraduate student at the SSU Department of System Analysis and Automatic Control, explained: «When we removed almost all unnecessary elements from the circuit, we came up with a very interesting trick using a diode in the operational amplifier circuit, which significantly improved the device`s characteristics. For the new circuit, we constructed current-voltage characteristics, then measured the dependence of the signal amplitude on the resistance of a potentiometer, which replaced one of the control resistors, to simplify changing generation modes.»
Ilya Sysoev, a professor at the SSU Department of System Analysis and Automatic Control, noted that the researchers completed a full development cycle for the artificial neuron. «We have a mathematical model, a simulation model built in the ngSPICE circuit simulator, and a physical implementation. We have already assembled four such devices,» he enumerated.
According to him, the scientists addressed three main challenges in their work:
- Circuit Simplification: They simplified the existing circuit by removing unnecessary elements while preserving the fundamental oscillatory modes.
- Pulsed Activity: The circuit was modified to make the oscillations more pulsed, similar to real neurons.
- Modularity: They achieved a certain modularity. By changing the number of diodes in the circuit, the oscillation waveform can be varied, similar to how different types of brain neurons – pyramids, interneurons, reticular cells, etc. – differ in shape.
Vladimir Ponomarenko, a professor at the SSU Department of Dynamic Modeling and Biomedical Engineering, stated that the development could be used for artificial intelligence, neuroprosthetics, and fundamental brain research.
«One of the most striking and promising applications of electronic neurons is the creation of artificial life. The mammalian brain consists of billions of neurons, and its hardware modeling is currently beyond existing technical capabilities. However, modeling the nervous system of nematode worms or the brain of a Drosophila fly is a more realistic task using suitable artificial neuron models. We hope that in the medium term (in 12-15 years), such artificial animals will be constructed,» he said.
In the future, scientists plan to improve the properties of the artificial neuron and integrate it into complex systems to solve problems in biomedicine, robotics, and fundamental science. This interdisciplinary work will require the joint efforts of electronic engineers, mathematicians, programmers, biologists, and doctors.
The development was supported by the «BRAIN» program of the «Idea» Foundation and a grant from the Russian Science Foundation (RSF).
