Desarrollando una sinapsis artificial ultra escalable

Un equipo de investigación, dirigido por el profesor asistente Desmond Loke de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD), ha desarrollado un nuevo tipo de sinapsis artificial basada en materiales bidimensionales (2D) para una computación inspirada en el cerebro altamente escalable.

La computación inspirada en el cerebro, que imita cómo funciona el cerebro humano, ha atraído una atención científica significativa debido a sus usos en funciones de inteligencia artificial y bajo consumo de energía. Para que funcione la computación inspirada en el cerebro, son necesarias sinapsis que recuerden las conexiones entre dos neuronas, como los cerebros humanos.

En los cerebros en desarrollo, las sinapsis se pueden agrupar en sinapsis funcionales y sinapsis silenciosas. Para las sinapsis funcionales, las sinapsis están activas, mientras que para las sinapsis silenciosas, las sinapsis están inactivas en condiciones normales. Y, cuando se activan las sinapsis silenciosas, pueden ayudar a optimizar las conexiones entre neuronas. Sin embargo, dado que las sinapsis artificiales construidas en circuitos digitales suelen ocupar grandes espacios, generalmente existen limitaciones en términos de eficiencia y costos del hardware. Dado que el cerebro humano contiene alrededor de cien billones de sinapsis, es necesario mejorar el costo del hardware para aplicarlo a dispositivos portátiles inteligentes e Internet de las cosas (IoT).

Para abordar este problema, el equipo de investigación de SUTD imitó los comportamientos de las sinapsis funcionales y silenciosas utilizando materiales 2D. Además, esta sinapsis artificial demuestra por primera vez que se puede implementar con el mismo dispositivo que funciona como sinapsis funcional y silenciosa.

El profesor asistente Loke mencionó que este trabajo puede reducir drásticamente los costos de hardware al reemplazar las sinapsis funcionales y silenciosas que se basaban en circuitos digitales complejos con un solo dispositivo. «Hemos demostrado que las sinapsis funcionales y silenciosas se pueden implementar utilizando un solo dispositivo».

“Al integrar sinapsis funcionales y silenciosas en el mismo dispositivo utilizando materiales 2D ultradelgados, el costo de hardware de las sinapsis artificiales disminuirá significativamente, lo que impulsará la comercialización de hardware inspirado en el cerebro”, agregó el profesor asistente Loke.

Desde el punto de vista de la neurobiología, las sinapsis silenciosas no generarían un comportamiento excitador cuando las neuronas presinápticas reciben estímulos continuos porque contienen receptores de N-metil-D-aspartato (NMDA), pero carecen de alfa-amino-3-hidroxi-5-metil- Receptores del ácido 4-isoxazol-propiónico (AMPA). Sin embargo, las sinapsis silenciosas pueden activarse para convertirse en sinapsis funcionales que responden a los estímulos tras la inserción de los receptores AMPA después de estímulos consecutivos.

Inspirándose en el mecanismo biológico para la activación de la sinapsis silenciosa a través de la inserción de receptores AMPA, se pueden lograr transformaciones de sinapsis silenciosas a sinapsis funcionales en dispositivos mediante la introducción de aniones de azufre en sistemas de materiales de seleniuro de indio 2D. Los aniones de azufre en el seleniuro de indio pueden migrar bajo un campo eléctrico y exhibir una plasticidad sináptica funcional. Este dispositivo, basado en un tipo de sistema totalmente sulfurado, muestra un comportamiento memristivo evidente a temperatura ambiente, que puede utilizarse para implementar sinapsis funcionales. La activación de sinapsis silenciosas se puede demostrar utilizando un tipo de sistema parcialmente sulfurado modificando la temperatura.

Esta investigación fue publicada en Interfaces y materiales aplicados ACS.