Современные системы искусственного интеллекта, от ChatGPT до генераторов изображений, вдохновлены устройством человеческого мозга. Но они работают отдельно от него и тратят огромные объёмы энергии — настолько, что это уже влияет на энергетику целых регионов и экологию планеты. Группа исследователей Принстонского университета решила пойти принципиально другим путём: они создали гибридную платформу, где электроника напрямую встраивается в живые трёхмерные сети мозговых клеток.
Новый прибор под названием 3D-MIND (3D Micro-Instrumented Neural network Device) описан в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics. Это первая в мире гибкая электронная «сетка», которая не лежит на поверхности культуры нейронов, а буквально прорастает сквозь неё.
Как устроен 3D-MIND
Устройство представляет собой мягкую трёхмерную электронную mesh-структуру из гибких материалов, по эластичности близких к мозговой ткани. Живые мозговые клетки выращивают вокруг и внутри этой сетки, и через несколько месяцев она становится неотъемлемой частью нейронной культуры.
Встроенные сенсоры «слушают» электрическую активность клеток, а крошечные стимуляторы могут «разговаривать» с ними, мягко направляя их работу. В отличие от прежних интерфейсов, которые фиксировали только поверхностные сигналы, 3D-MIND проникает вглубь трёхмерной сети. Это позволяет считывать и записывать информацию, которая раньше была недоступна.
«Мы реализовали настоящий 3D-интерфейс между устройством и 3D-нейронной сетью, — объясняет старший автор работы Тянь-Мин Фу (Tian-Ming Fu). — Электронные сенсоры и стимуляторы находятся внутри живой биологической сети, а не на её поверхности».
Почему это прорыв
Биологическая трёхмерная сеть обладает более богатой связностью и большей вычислительной мощностью, чем традиционные двумерные культуры нейронов. Благодаря глубокому встраиванию устройство обеспечивает стабильное взаимодействие в течение шести месяцев. Кроме того, стимуляция «изнутри» работает быстрее и эффективнее, чем при использовании плоских электродов.
«Сегодняшние ИИ-системы делают невероятные вещи, но их энергопотребление уже начинает определять инфраструктуру, — говорит Тянь-Мин Фу. — Человеческий мозг делает гораздо больше, тратя лишь крошечную долю этой энергии. Мы задались вопросом: а что если вместо симуляции мозга на кремниевых чипах работать напрямую с живыми клетками?»
Соавтор Джеймс Штурм (James Sturm) добавляет: «Существующие устройства видели только поверхность. Мы изменили это, встроив электронику прямо в трёхмерную сеть мозговых клеток».
Перспективы: от энергоэффективного ИИ до медицины
3D-MIND открывает путь к новым мозгоподобным вычислительным системам, которые могут работать с минимальным энергопотреблением. Кроме того, платформа станет мощным инструментом для изучения того, как формируются и адаптируются нейронные цепи в реалистичной трёхмерной среде. Это поможет в разработке более точных моделей для тестирования лекарств и исследования неврологических заболеваний.
В будущем учёные планируют увеличить размер и сложность устройства, добавить больше сенсоров и электродов, улучшить способы управления обучением нейронных сетей и интегрировать оптическую визуализацию. В долгосрочной перспективе они надеются создать практические системы, которые объединят биологию и электронику как для вычислений, так и для медицины.
Исследование опубликовано в Nature Electronics.
