Laser jäljendab valguse abil bioloogilisi neuroneid

Õhukestest pooljuhi kihtidest valmistatud pisike laser funktsioneerib täpselt nagu bioloogiline neuron, leidis grupp prantsuse füüsikuid. Teadlastel õnnestus näidata, et nende ,,mikrosammastest” (“micropillar”) laser kiirgab valgust kohe, kui selle sisend muutub vaid minimaalselt – just nagu neuron. Järjestikused kiirgamised peavad lisaks olema üksteisest ajaliselt eraldatud, mis on samuti bioloogiliste neuronite üheks olulisimaks omaduseks.

Inimaju koosneb ligikaudu 100 miljardist neuronist, millest igaüks saab teistelt neuronitelt tuhandete väikeste ühenduste ehk sünapsite kaudu elektrilisi signaale. Kui sünapsitelt tulevate signaalide kogusumma ületab mingi kindla piirväärtuse, neuron ,,kiirgab,” saates teistele neuronitele terve hulga kõrgema pingega signaale. Seega võib öelda, et neuronid on ,,ergastatavad”: allpool mingit kindlat sisendsignaali piirväärtust on süsteemi väljund väga väike ja lineaarne; piirväärtusest kõrgemal muutub see aga suureks ja mittelineaarseks.

Tehisaju valmistamine

Teadlased on juba aastaid proovinud valmistada tehislikke neuroneid, mis suudaksid jäljendada aju tohutut arvutusvõimet. Nimelt ei saa aju võimeid võrrelda mitte ühegi olemasoleva digitaalse arvutiga. Suur osa teadlaste püüetest on keskendunud ränikiipidele, samas kui mõned teadlasgrupid on uurinud ka innovatiivsemaid lähenemisi, näiteks ülijuhtseadmete omadusi ära kasutavaid nn Josephsoni ühendusi (ingl. k. Josephson junctions).

Kõige hiljutisem uurimus ei kasuta aga üldsegi elektroonikat ning sõltub vaid optikast. CNRS Fotoonikalabori teadlane Sylvain Barbay koos oma kolleegidega kasutasid nö mikrosammastest laserit. See 10 mikromeetrise kõrguse ja vaid paari mikronilise läbimõõduga silindrikujuline seade koosneb substraadile sadestatud pooljuhtmaterjali vahelduvatest kihtidest. Need kihid tekitavad laseri aktiivaine, mida piiravad kaks paralleelset peeglit, ning ala, mis neelab madala intensiivsusega valgust kuid laseb kõrgema intensiivsusega valgust vabalt läbi.

Kiire kiirgamine

Seadme neuronisarnaste omaduste demonstreerimiseks pumpasid teadlaselt seadet optiliselt 794 nanomeetrise lainepikkusega valgust kiirgava dioodlaseriga ning ergastasid seda veelgi 800 nanomeetrise lainepikkusega valgust kiirgava titaan-safiirlaseriga. Viimati nimetatud laseri ühe impulsiga suudeti demonstreerida ergastamist, kus seade kiirgas vaid siis, kui sisendlaseri impulsid jäid kõigest mõne kümnendiku nanodžauli piiresse. See kõik toimus vaid 200 pikosekundi jooksul. Seega on antud tehislik neuron palju kiirem kui selle bioloogilised ja elektroonilised konkurendid, millede reaktsiooniaeg jääb millisekundi skaalasse.

Titaan-safiirlaseri impulsipaaride abil õnnestus Barbayl ja kolleegidel seejärel demonstreerida oma neuronit imiteeriva seadme teist fundamentaalset omadust: minimaalne ajavahe järjestikuste kiirgamiste vahel. Ilma selle vaheta muutuks neuroni tegevus korratuks, kusjuures tekkiv müra põhjustaks järgmiste impulsside tekke. Uurimisgrupp leidis, et kui seadet pumbata kahe, üksteisest vähem kui 150 pikosekundiga eraldatud impulsiga, kiirgas see vaid ühe korra. Sellist kahe impulsi vahelist aega nimetatakse absoluutseks taastumisperioodiks (ingl. k. absolute refractory period). Antud seadmel on ka osalise taastumise periood (ingl. k. relative refractory period), mis toimub esimese impulsi kohale jõudmisest 150 kuni 350 pikosekundit hiljem. Selle ajavahemiku jooksul on tekkiv kiirgumine nõrgem ning nõuab tugevamat sisendimpulssi kui pärast 350 pikosekundi möödumist, mil seade kiirgab samamoodi nagu pärast esimest sisendimpulssi.

Süsteemil on ,,mälu”

,,Sellist osalise taastumise perioodi pole optilistes süsteemides varem täheldatud,” sõnas Barbay. ,,Selle nähtuse jälgimine on väga huvitav, sest see võimendab seadme sarnasust bioloogiliste neuronitega ning näitab, et see justkui mäletaks oma varasemat olekut.”

Barbay sõnul on teadlased siiski väga kaugel aju omadusi jäljendava arvuti ehitamisest, sest meil pole võimalik kahandada kõiki neuroneid ühte mudelisse. Lisaks on neuronite ja ühenduste arv ajus praegustest tehnoloogilistest võimalustest kaugel ees. Antud töögrupi seadme eelisteks on aga selle väiksus ja kerge ühendatavus, mille abil saaks valmistada väiksemaid neuronite võrgustikke.

Allikas: ,,Laser mimics biological neurone using light”

Teadusartikkel: ,,Relative refractory period in an excitable semiconductor laser“