Сотрудники лаборатории стохастических мультистабильных систем ННГУ им. Н.И. Лобачевского разработали электронную систему, которая частично воспроизводит принципы взаимодействия нейронов в биологических нервных сетях. Исследование выполнялось междисциплинарной командой, объединившей специалистов в области нелинейной динамики, нейроморфной электроники, физики мемристивных устройств и математического моделирования.
В работе авторы использовали не условную или упрощённую модель мемристора, а характеристики реального устройства, изготовленного и исследованного экспериментально. Они изучили реакцию мемристора на сигналы, похожие на импульсы нейронной активности, и перенесли полученные экспериментальные данные в математическую модель электронной нейронной системы. Это позволило максимально приблизить теоретическое описание к поведению реального физического устройства.
«Разработка представляет собой электронную систему, состоящую из двух искусственных нейронов, соединённых мемристором. Первый нейрон генерирует электрические импульсы и передаёт их второму. Мемристор, расположенный между ними, выполняет роль искусственного синапса – аналога связи между нейронами в нервной системе. При определённых условиях второй нейрон начинает подстраивать ритм своей работы под первый. Таким образом происходит синхронизация. В ходе экспериментов нам удалось получить несколько режимов такой синхронизации. Например, электронные нейроны заработали в одном ритме или с различным соотношением частот», – рассказал руководитель исследования, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории мемристорной наноэлектроники НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» Университета Лобачевского Иван Кипелкин.
Также учёным удалось показать, как изменение сопротивления мемристора влияет на взаимодействие двух электронных нейронов. При определенных условиях нейроны стали подстраивать ритм своей работы друг под друга. В результате экспериментально было получено несколько таких режимов синхронизации, что подтвердило возможность использования мемристоров в качестве адаптивных искусственных синапсов.
«Исследования мемристивных нейронов и мемристивных синапсов активно ведутся как в России, так и за рубежом. Значительная часть опубликованных исследований основана на идеализированных моделях мемристоров, функциональных электронных эквивалентах или коммерческих компонентах. Существуют математические модели нейронных сетей с мемристивными связями, электронные схемы искусственных нейронов, а также отдельные аппаратные реализации нейроморфных систем. Поэтому корректнее говорить не о полном отсутствии аналогов, а о том, что наша разработка отличается комплексным подходом: мемристивное устройство физически изготовлено и экспериментально исследовано, его параметры перенесены в математическую модель, а предсказанные динамические режимы затем проверены на реальной электронной системе», – отметил руководитель проекта, на основе которого было проведено исследование, кандидат физико-математических наук, директор НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» Университета Лобачевского Алексей Михайлов.
Работа выполнялась в рамках нескольких взаимодополняющих научных направлений Университета Лобачевского, объединенных программой стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». Экспериментальная часть исследования и аппаратная реализация системы были выполнены учёными ННГУ в рамках научной программы Национального центра физики и математики по направлению №9 «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах». Компьютерное моделирование было поддержано Российским научным фондом.
«Эта работа наглядно демонстрирует силу междисциплинарного подхода, который мы последовательно развиваем в Университете Лобачевского. Команда исследователей объединила компетенции в нелинейной динамике, нейроморфной электронике, физике мемристивных устройств и математическом моделировании и получила результат, обладающий большим прикладным потенциалом. Тот факт, что исследование выполнено в рамках программы “Приоритет-2030” и научной программы Национального центра физики и математики, подчёркивает его стратегическую значимость для развития отечественной науки и технологий. Такие разработки станут основой для создания нового поколения энергоэффективных нейроморфных устройств, востребованных в робототехнике, биомедицине, системах искусственного интеллекта. Наши учёные вносят весомый вклад в формирование технологического будущего страны», – подчеркнул ректор ННГУ им. Н.И. Лобачевского Олег Трофимов.
Пресс-служба ННГУ
