Nanoelectrónica reconfigurable para cerebros artificiales

Cuando el cerebro humano aprende algo nuevo, se adapta. Pero cuando la inteligencia artificial aprende algo nuevo, tiende a olvidar la información que ya aprendió. En el artículo Reconfigurable perovskite nickelate electronics for artificial intelligence, publicado en la revista Science, se muestra una forma en que los nanochips de las computadoras podrían reconfigurarse dinámicamente para recibir nuevos datos, como lo hace el cerebro, de modo de seguir aprendiendo en el tiempo. "Los cerebros de los seres vivos pueden aprender continuamente a lo largo de su vida. Ahora hemos creado una plataforma artificial para que las máquinas aprendan a lo largo de su vida", dice Shriram Ramanathan, profesor de la Escuela de Ingeniería de Materiales de la Universidad de Purdue. A diferencia del cerebro, que forma constantemente nuevas conexiones entre las neuronas para permitir el aprendizaje, los circuitos de un chip de computadora no cambian. Un circuito de una máquina usado durante años no es diferente del circuito original. Este es un problema para hacer algo portátil como vehículos autónomos o robots en el espacio capaces de tomar decisiones por su cuenta en entornos aislados.

Crédito de la foto: Universidad Purdue / Rebecca McElhoe

Si la IA pudiera integrarse directamente en el hardware en lugar de simplemente ejecutarse en el software como se suele hacer, estas máquinas podrían operar de manera más eficiente. Tener toda la funcionalidad central requerida para la computación neuromórfica en un tipo de nanodispositivo podría ofrecer mejoras dramáticas a las arquitecturas informáticas emergentes. Los dispositivos reconfigurables ofrecen la capacidad de programar circuitos electrónicos bajo demanda. Los investigadores de demostraron la creación de neuronas artificiales, sinapsis y condensadores de memoria en perovskita (NdNiO₃), dispositivos que se pueden reconfigurar simplemente para un propósito específico mediante pulsos eléctricos de un solo disparo. El hardware es un pequeño dispositivo rectangular hecho de un material llamado niquelato de perovskita, muy sensible al hidrógeno. La aplicación de pulsos eléctricos a diferentes voltajes permite que el dispositivo mezcle una concentración de iones de hidrógeno en cuestión de nanosegundos creando estados que podrían asignarse a las funciones correspondientes en el cerebro. Cuando el dispositivo tiene más hidrógeno cerca de su centro puede actuar como una neurona, una única célula nerviosa. Con menos hidrógeno en esa ubicación, el dispositivo sirve como sinapsis, una conexión entre neuronas, lo que usa el cerebro para almacenar memoria en los circuitos neuronales complejos. 

Un interesante avance ya que si queremos construir cerebros artificiales debemos tener la capacidad de programar, reprogramar y cambiar el chip continuamente.

Lectura complementaria:

Reconfigurable perovskite nickelate electronics for artificial intelligence.

Nanocables registran la nanoactividad de las neuronas.

Investigadores, de la Universidad de California de San Diego y de Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, desarrollaron nanocables que pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas en sus mínimos detalles.  La nueva tecnología de nanocables podría ayudar a los investigadores a entender mejor cómo las células se comunican solo en grandes redes neuronales y servir como una plataforma de selección de medicamentos para enfermedades neurológicas. El dispositivo consta de una matriz de nanocables de silicio densamente empaquetadas en un pequeño chip con dibujos de electrodos conductores de níquel. Los nanocables asoman dentro de las células sin dañarlas y son lo suficientemente sensibles para medir pequeños cambios de potenciales de unos pocos milivoltios de magnitud. Los científicos utilizaron los nanocables para registrar la actividad eléctrica de las neuronas que fueron aisladas de ratones y producidas a partir de células madre humanas. Estas neuronas, in vitro,  en una interfase con la matriz de nanocables  sobrevivieron y funcionaron en forma continua durante las seis semanas de experimentación. La tecnología, permite descubrir los detalles acerca de la salud, la actividad de la neurona y la respuesta a los fármacos, mediante la medición de las corrientes del canal de iones y los cambios en su potencial intracelular, debido a la diferencia en la concentración de iones entre el interior y el exterior de la célula. La medición es sensible a pequeños cambios potenciales y proporciona lecturas con altas relaciones de señal a ruido. Otra característica innovadora de esta tecnología es que se puede aislar la señal eléctrica medida por cada nanocable individual. Algo inusual en las tecnologías existentes, en las cuales los cables están cortocircuitados eléctricamente entre sí y no se puede diferenciar la señal de cada uno. El chip de nanocables podría, entre otras cosas, ser utilizado en los modelos cerebrales derivados de células madre para la identificación de los fármacos más eficaces en el tratamiento de las enfermedades neurológicas.

Lectura complementaria:

High Density Individually Addressable Nanowire Arrays Record Intracellular Activity from Primary Rodent and Human Stem Cell Derived Neurons.