ماده ای شگفت انگیز که عملکرد مغز را تقلید می نماید - مجله سیاران

به گزارش ایسنا، پژوهشگران ماده ای ابداع نموده اند که می تواند نحوه ذخیره سازی اطلاعات به وسیله مغز را تقلید کند. این ماده با کپی کردن سیناپس های نورون ها کار می نماید و به آن اجازه می دهد یادگیری را که در خواب عمیق رخ می دهد، تقلید کند.

گروه از پژوهشگران دانشگاه خودگردان بارسلونا (UAB)، این ماده مغناطیسی را با استفاده از نوعی محاسبات به نام محاسبات نورومورفیک ساختند.

محاسبات نورومورفیک یک مفهوم محاسباتی است که از نورون های مصنوعی برای تقلید رفتار مغز و عملکرد های سیناپسی یا سیگنال های ارتباطی نورون ها استفاده می نماید.

همانطور که در این مطالعه بیان شده است، یکی از تقلید های عملکرد مغز، انعطاف پذیری عصبی است که به توانایی ذخیره یا فراموش کردن اطلاعات بسته به مدت زمان و تکرار تکانه های الکتریکی که نورون ها را تحریک می نمایند، گفته می گردد. این شکل از انعطاف پذیری با حافظه و یادگیری در مغز مرتبط است.

موادی که یادگیری را تقلید می نمایند

این گروه پژوهشی مواد خاصی را کشف نموده اند که رفتار سیناپس های عصبی را تقلید می نمایند. این مواد شامل مواد مقاومت حافظه دار (حافظه الکترونیکی)، فروالکتریک، مواد حافظه ای تغییر حالت دهنده، عایق های توپولوژیکی و مواد مغناطیسی یونی هستند.

این گروه اشاره می نماید که مواد مغناطیسی یونی نوترین مواد در نوع خود هستند و از تغییرات خواص مغناطیسی که به وسیله حرکت یون ها یا اتم ها در داخل ماده ایجاد می گردد، تشکیل شده اند.

این حرکت با اعمال میدان الکتریکی به یون ها ایجاد می گردد. پژوهشگران می دانند که در مواد مغناطیسی یونی چگونه مغناطیس در هنگام اعمال میدان الکتریکی کنترل می گردد، اما کنترل پیشروی خواص مغناطیسی هنگامی که ولتاژ متوقف می گردد، سخت است. این امر تقلید از عملکرد مغز را سخت می نماید، مانند فرآیند یادگیری که حتی زمانی که مغز در خواب عمیق است و هیچ تحریک خارجی ندارد، اتفاق می افتد.

پژوهش

این مطالعه به وسیله پژوهشگران دپارتمان فیزیک دانشگاه خودگردان بارسلونا به نام جوردی سورت (Jordi Sort) و انریک منندز (Enric Menéndez)، با همکاری چند موسسه پژوهشی دیگر به نام های ALBA Synchrotron، موسسه علوم و نانوتکنولوژی کاتالان (ICN 2) و موسسه ICMAB انجام شد.

این گروه پژوهشی روش نوی برای کنترل تکامل مغناطیسی در حالت های تحریک شده و پس از محرک عملکرد مغز پیشنهاد کردند.

در نتیجه، ماده نوی ایجاد شد که دارای لایه نازکی از مونونیترید کبالت (CoN) بود. هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال شد، تجمع یون های نیتروژن در خط بین لایه و الکترولیت مایع قابل کنترل بود.

پروفسور جوردی سورت می گوید: این مواد نو با حرکت یون هایی که به وسیله ولتاژ الکتریکی کنترل می شوند، به روشی مشابه مغز ما و با سرعت هایی مشابه با سرعت های فراوری شده در نورون ها، در حد میلی ثانیه کار می نمایند.

وی اضافه کرد: ما یک سیناپس مصنوعی ایجاد نموده ایم که در آینده ممکن است مبنای یک الگوی محاسباتی نو باشد، یعنی جایگزینی برای نمونه ای که به وسیله رایانه های فعلی استفاده می گردد.

پژوهشگران کشف کردند که می توانند فرآیند هایی مانند حافظه، پردازش اطلاعات، بازیابی اطلاعات را با اعمال پالس های ولتاژ تقلید نمایند. بعلاوه آن ها برای اولین بار می توانند به روزرسانی کنترل شده اطلاعات را بدون اعمال ولتاژ تقلید نمایند.

عامل کنترل مورد استفاده در این مطالعه با اصلاح ضخامت لایه های مونونیترید کبالت که سرعت حرکت یون ها را مشخص می نماید و فرکانس پالس های ولتاژ ایجاد شد.

تنظیم این مواد اجازه می دهد تا خواص مغناطیسی هم در هنگام اعمال ولتاژ و هم در هنگام حذف ولتاژ کنترل گردد. هنگامی که محرک ولتاژ کاهش می یابد، بر اساس ضخامت ماده و نحوه اعمال ولتاژ می توان مغناطش (قطبی سازی مغناطیسی) را افزایش یا کاهش داد.

نتایج پژوهش

توسعه این ماده نو، طیف وسیعی از امکانات را برای توابع محاسباتی نورومورفیک باز می نماید و با استفاده از شبکه های عصبی در ادراک، یادگیری و حافظه کارایی ایجاد می نماید. مثال ارائه شده امکان تقلید یادگیری عصبی است که پس از تحریک مغز، در طول خواب اتفاق می افتد. در حال حاضر، این عملکرد نمی تواند به وسیله هیچ ماده عصبی موجود دیگری تقلید گردد.

سورت و منندز می گویند: زمانی که ضخامت لایه مونو نیترید کبالت زیر 50 نانومتر و با ولتاژ اعمال شده در فرکانس بیش از 100 چرخه در ثانیه باشد، ما پیروز شده ایم یک تابع منطقی اضافی را تقلید کنیم.

پژوهشگران به اهمیت این مطالعه و تقلید از عملکرد مغز اشاره کردند. آن ها می گویند هنگامی که ولتاژ اعمال می گردد، دستگاه می تواند بدون احتیاج به ورودی انرژی اضافی با تقلید از عملکرد های سیناپسی که در مغز در طول خواب عمیق انجام می گردد، طوری برنامه ریزی گردد تا چیزی را یاد بگیرد یا فراموش کند و پردازش اطلاعات می تواند بدون اعمال هیچ سیگنال خارجی ادامه یابد.