研究者たちは、人工シナプスを作り、人間の脳のように湿ったコンピューターの開発に成功したそうだ。その人工シナプスは、生体と同じく水と塩を利用することで、脳のように複雑な情報を処理することができるという。
本物のシナプスと同じように働くこの人工シナプスは、驚異的な人間の脳の機能だけでなく、素材まで模倣したコンピュータ技術の実現へ向けた重要な一歩となる。
人間の脳にコンピューターをどこまで近づけることができるか？ 人間の脳は並外れた性能を持っている。科学者たちは、コンピュータのエネルギー効率を向上させるため、人間の脳の仕組みをヒントにしてきた。
ヒトの脳組織を培養し、脳細胞そのものを組み込んだコンピューターも開発されている。
こうした取り組みによって誕生したのが、従来の2進数による処理から、人間の脳と同じようなアナログ方式による情報処理を行う、まるで脳のように働くコンピューターだ。
だが生体コンピュータである脳が、水と溶けた塩の粒子（つまりイオンのこと）を媒体にして動作するのに対し、脳をモデルにしたコンピュータのほとんどは固体材料を利用する。
そうした媒体まで脳と同じものを利用すれば、脳の働きをより忠実に再現することができるのではないか？
これを追求するのが、生物学と電子工学を組み合わせた「イオントロニック・ニューロモーフィック・コンピューティング（ iontronic neuromorphic computing）」という研究分野だ。
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photo by iStock塩と水を利用し、人間の脳のように湿った人工シナプスを作成 ユトレヒト大学と西江大学の研究チームは今回、生体の脳と同じ媒体を利用したシステムが可能であることを実証した。
すなわち水と塩を基礎としたコンピュータによって、脳の機能を模倣することに成功したのだ。
その中核となるのが、150×200マイクロメートルの極小デバイスで、生物の脳において神経細胞から神経細胞への信号伝達を担う「シナプス」の働きを模倣する。
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シナプスは神経伝達物質を放出することで、隣の神経細胞にメッセージを伝える/Credit: Utrecht University
ユトレヒト大学の博士候補生、ティム・カムスマ氏は、「複雑な情報を処理できる人工シナプスは固体材料でならすでに作られていますが、水と塩でそれができることを実証したのは、今回が初めて」と、プレスリリースで説明する。
開発された「イオントロニック・メムリスタ」は、まさに脳の神経細胞の振る舞いを再現したものだ。
このデバイスは、水と塩の溶液で満たされた円錐形のマイクロ経路で構成されており、電気的な刺激を受けると、溶液のイオンが経路内を移動し、イオン濃度が変化する。
この伝導率は電気刺激の強さに応じて変化し、その変化の大きさが入力信号を示す値となる。これが神経細胞同士の結合の強まりや弱まりとちょうど同じなのだ。
さらに経路の長さは、イオン濃度の変化が戻るまでの時間に影響する。つまり経路の長さを調整することで、情報の保持や処理のための時間が変わってくる。
これもまた生体のシナプスに見られる特徴である。
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人工シナプスの顕微鏡写真/Credit: Utrecht University生物学と電子工学を組み合わせることで人間の脳を再現 今回の研究は基本的なもので、イオントロニック・ニューロモーフィック・コンピューティングの本格的な実用化まではまだまだ時間がかかる。
研究チームが目指すのは、現在のコンピュータよりもずっと高性能で、なおかつ省エネ型のコンピュータだ。これはあくまで目標であって、実現するのかどうか、本当のところはまだわからない。
とはいえ、カムスマ氏は今回の成果を大きな前進だと考えている。
References:First experimental proof for brain-like computer with water and salt - News - Utrecht University / Scientists Create First Brain-like Computer Using Water and Salt / written by hiroching / edited by / parumo
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本物のシナプスと同じように働くこの人工シナプスは、驚異的な人間の脳の機能だけでなく、素材まで模倣したコンピュータ技術の実現へ向けた重要な一歩となる。
人間の脳にコンピューターをどこまで近づけることができるか？ 人間の脳は並外れた性能を持っている。科学者たちは、コンピュータのエネルギー効率を向上させるため、人間の脳の仕組みをヒントにしてきた。
ヒトの脳組織を培養し、脳細胞そのものを組み込んだコンピューターも開発されている。
こうした取り組みによって誕生したのが、従来の2進数による処理から、人間の脳と同じようなアナログ方式による情報処理を行う、まるで脳のように働くコンピューターだ。
だが生体コンピュータである脳が、水と溶けた塩の粒子（つまりイオンのこと）を媒体にして動作するのに対し、脳をモデルにしたコンピュータのほとんどは固体材料を利用する。
そうした媒体まで脳と同じものを利用すれば、脳の働きをより忠実に再現することができるのではないか？
これを追求するのが、生物学と電子工学を組み合わせた「イオントロニック・ニューロモーフィック・コンピューティング（ iontronic neuromorphic computing）」という研究分野だ。
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photo by iStock塩と水を利用し、人間の脳のように湿った人工シナプスを作成 ユトレヒト大学と西江大学の研究チームは今回、生体の脳と同じ媒体を利用したシステムが可能であることを実証した。
すなわち水と塩を基礎としたコンピュータによって、脳の機能を模倣することに成功したのだ。
その中核となるのが、150×200マイクロメートルの極小デバイスで、生物の脳において神経細胞から神経細胞への信号伝達を担う「シナプス」の働きを模倣する。
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シナプスは神経伝達物質を放出することで、隣の神経細胞にメッセージを伝える/Credit: Utrecht University
ユトレヒト大学の博士候補生、ティム・カムスマ氏は、「複雑な情報を処理できる人工シナプスは固体材料でならすでに作られていますが、水と塩でそれができることを実証したのは、今回が初めて」と、プレスリリースで説明する。
開発された「イオントロニック・メムリスタ」は、まさに脳の神経細胞の振る舞いを再現したものだ。
このデバイスは、水と塩の溶液で満たされた円錐形のマイクロ経路で構成されており、電気的な刺激を受けると、溶液のイオンが経路内を移動し、イオン濃度が変化する。
この伝導率は電気刺激の強さに応じて変化し、その変化の大きさが入力信号を示す値となる。これが神経細胞同士の結合の強まりや弱まりとちょうど同じなのだ。
さらに経路の長さは、イオン濃度の変化が戻るまでの時間に影響する。つまり経路の長さを調整することで、情報の保持や処理のための時間が変わってくる。
これもまた生体のシナプスに見られる特徴である。
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人工シナプスの顕微鏡写真/Credit: Utrecht University生物学と電子工学を組み合わせることで人間の脳を再現 今回の研究は基本的なもので、イオントロニック・ニューロモーフィック・コンピューティングの本格的な実用化まではまだまだ時間がかかる。
研究チームが目指すのは、現在のコンピュータよりもずっと高性能で、なおかつ省エネ型のコンピュータだ。これはあくまで目標であって、実現するのかどうか、本当のところはまだわからない。
とはいえ、カムスマ氏は今回の成果を大きな前進だと考えている。
人間の脳の通信パターンだけでなく、同じ媒体まで利用したコンピュータ開発へ向けた大きな進歩です。この研究は『PNAS』（2024年4月24日付）で発表された。
きっといつかは、人間の脳の驚異的な能力をより忠実に再現するコンピューティング・システムへの道が開かれるでしょう（ティム・カムスマ氏）
References:First experimental proof for brain-like computer with water and salt - News - Utrecht University / Scientists Create First Brain-like Computer Using Water and Salt / written by hiroching / edited by / parumo
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