美國研究員開發電腦晶片類比人腦工作

 

利用電腦晶片類比人腦是如何工作的，或許將揭示人類的認知能力。

Kwabena Boahen位於斯坦福大學的實驗室簡直是一塵不染，不同於一般的神經系統實驗室，沒有散亂的吸液管和堆砌如山的化學瓶。實驗室台上取而代之的是一個孤零零的電路板，其中置有一個特別的晶片。該晶體管在典型的電腦晶片中被用做高速運算，但這些貌似一簇微晶體管的微處理器被用來模仿神經元的電學特性。該晶體管被設計來模仿視網膜細胞，耳蝸細胞，甚至人體海馬細胞（一個位於腦部深處，用來分類和儲存資訊的單元）的功能行為。

Boahen的實驗室雖然規模很小，但發展迅速。科學家和工程師使用一種他們稱之為“神經形態（neuromorphing）”的方法建立複雜的電子電路，用來模仿神經電路的工作方法。他們的工作利用了很多大腦不同部位應對刺激的解剖圖，這些解剖圖是世界上許多神經科學家經過多年潛心研究的成果。

蘇黎世神經資訊學院的羅德尼.道格拉斯教授說“通過技術和理論上的新突破，我們應該能夠探索大腦工作情況。可以解決一些難題，這些難題目前利用最先進的數字裝置尚不能解決。其中的一個研究方法就是建立硬體模型來類比神經電路工作的情況。”

其中最讓人著迷的是大腦的記憶才能，神經科學家為此已經花費了數十年來研究。這種能力似乎是根植於人腦中的海馬體，因為它一旦損壞會導致健忘症。

對人體海馬神經和大腦其他部分的深入研究已經部分揭示了神經行為如何產生回憶。神經元對資訊差採用電脈衝的形式進行編碼，可以傳送到其他神經元。當兩個串連的神經元頻繁重複激發放電（firing）時，它們間的串連得到加強，因此首先放電的神經元就可以觸發後面的神經元放電。這一過程正如神經科學家所知那樣，在多個相鄰神經元上發生，產生了一個網路，串連不同的神經元和編碼和以及進行資訊的串連。

為了更好地瞭解神經元是如何工作的，Boahen和研究生約翰阿瑟開發了基于海馬CA3區層的晶片。CA3夾在在兩個其他神經元層之間，其中一個接收來自大腦皮層的資訊，另一個傳遞返回資訊，CA3被認為是記憶發生的地方，在這一區資訊被儲存和聯絡起來。

每個電路單元模型是由一簇晶體管組成，以模仿神經元的活動。矽單元被排列成32×32陣列，每個都進行編程以便同周圍21個單元保持簡單串連。最開始，神經元間的聯絡都被關閉，類比“沉默突觸（Silent synapses一類只有突觸結構而沒有資訊傳遞功能的突觸，通常稱這種突觸為沉默突觸。這種沉默突觸在一定條件下可轉化為有功能的突觸，這種轉化可能與學習和記憶的基礎原理有關。研究發現增加突觸前神經元的活動，可以將這種沉默突觸快速轉化為有功能的突觸。）

然而，Boahen解釋說，該晶片有能力改變神經元聯絡的程度，模仿神經元在工作時發生了什麼。

阿瑟在電腦上示範了整個類比過程，晶片記住了之前輸入的資訊。

斯坦福大學的研究者計劃增加晶片的電路，以便模仿齒狀海馬層。這更加複雜，Boahen說：“我們希望給它一個A，能夠喚起對整個字母表的記憶。”

該團隊還開發其他的“神經形態”晶片，最近雄心勃勃的計劃建立大腦皮層的模型。大腦皮層其錯綜複雜的結構使我們能夠進行複雜運算。該模型的第一代設計將包括一個含有16個晶片的電路板，每個晶片包含256×256矽神經元陣列。

製造晶片模仿皮質、海馬單元及視網膜，Boahen希望這些能夠更好地理解大腦是如何工作的，並最終協助設計神經義肢，如人工視網膜。

這些研究人員不僅需要神經系統方面的知識，還需要知道如何設計晶片，這項研究走在了時代的前沿。