Nanodraadnetwerken leren en onthouden zoals een menselijk brein

Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Sydney heeft aangetoond dat nanodraadnetwerken zowel korte- als langetermijngeheugen kunnen vertonen, net als het menselijk brein.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang, geleid door Dr. Alon Loeffler, die zijn Ph.D. in de School of Physics, met medewerkers in Japan.

“In dit onderzoek ontdekten we dat cognitieve functies van hogere orde, die we normaal associëren met het menselijk brein, kunnen worden nagebootst in niet-biologische hardware,” zei Dr. Loeffler.

“Dit werk bouwt voort op ons eerdere onderzoek waarin we hebben laten zien hoe nanotechnologie kan worden gebruikt om een ​​op de hersenen geïnspireerd elektrisch apparaat te bouwen met neurale netwerkachtige circuits en synapsachtige signalering.

“Ons huidige werk maakt de weg vrij voor het repliceren van hersenachtig leren en geheugen in niet-biologische hardwaresystemen en suggereert dat de onderliggende aard van hersenachtige intelligentie fysiek kan zijn.”

Nanodraadnetwerken zijn een soort nanotechnologie die meestal wordt gemaakt van kleine, sterk geleidende zilveren draden die onzichtbaar zijn voor het blote oog, bedekt met een plastic materiaal, die als een gaas over elkaar zijn verspreid. De draden bootsen aspecten na van de genetwerkte fysieke structuur van een menselijk brein.

Vooruitgang in nanodraadnetwerken zou veel toepassingen in de echte wereld kunnen inluiden, zoals het verbeteren van robotica of sensorapparaten die snelle beslissingen moeten nemen in onvoorspelbare omgevingen.

“Dit nanodraadnetwerk is als een synthetisch neuraal netwerk omdat de nanodraden zich gedragen als neuronen, en de plaatsen waar ze met elkaar verbonden zijn analoog zijn aan synapsen”, zei senior auteur professor Zdenka Kuncic van de School of Physics.

“In plaats van een soort machine-leertaak te implementeren, is Dr. Loeffler in deze studie zelfs een stap verder gegaan en heeft hij geprobeerd aan te tonen dat nanodraadnetwerken een soort cognitieve functie vertonen.”

Om de mogelijkheden van het nanodraadnetwerk te testen, voerden de onderzoekers een test uit die lijkt op een algemene geheugentaak die wordt gebruikt in experimenten met menselijke psychologie, de zogenaamde N-Back-taak.

Voor een persoon kan de N-Back-taak het onthouden van een specifieke foto van een kat inhouden uit een reeks katachtige afbeeldingen die in een reeks worden gepresenteerd. Een N-Back-score van 7, het gemiddelde voor mensen, geeft aan dat de persoon hetzelfde beeld kan herkennen dat zeven stappen terug verscheen.

Wanneer toegepast op het nanodraadnetwerk, ontdekten de onderzoekers dat het een gewenst eindpunt in een elektrisch circuit zeven stappen terug kon ‘onthouden’, wat een score van 7 betekent in een N-Back-test.

“Wat we hier hebben gedaan, is de spanningen van de eindelektroden manipuleren om de paden te dwingen te veranderen, in plaats van het netwerk gewoon zijn eigen ding te laten doen. We hebben de paden gedwongen om te gaan waar we wilden dat ze gingen”, zei Dr. Loeffler.

“Toen we dat implementeerden, had het geheugen een veel hogere nauwkeurigheid en nam het niet echt af in de loop van de tijd, wat suggereert dat we een manier hebben gevonden om de paden te versterken om ze te duwen naar waar we ze willen hebben, en dan onthoudt het netwerk het.

“Neurowetenschappers denken dat dit is hoe de hersenen werken, bepaalde synaptische verbindingen worden sterker terwijl andere verzwakken, en men denkt dat dit de manier is waarop we sommige dingen bij voorkeur onthouden, hoe we leren, enzovoort.”

De onderzoekers zeiden dat wanneer het nanodraadnetwerk voortdurend wordt versterkt, het een punt bereikt waarop die versterking niet langer nodig is omdat de informatie in het geheugen wordt geconsolideerd.

“Het is een beetje zoals het verschil tussen langetermijngeheugen en kortetermijngeheugen in onze hersenen”, zei professor Kuncic.

“Als we iets voor een lange tijd willen onthouden, moeten we onze hersenen echt blijven trainen om dat te consolideren, anders vervaagt het na verloop van tijd.

“Eén taak toonde aan dat het nanodraadnetwerk tot zeven items in het geheugen kan opslaan op aanzienlijk hogere dan kansniveaus zonder versterkingstraining en bijna perfecte nauwkeurigheid met versterkingstraining.”