人間のように記憶も忘却もする新しい脳型素子

世界初、たった一つの素子で複雑なシナプス活動を実現

2011.06.27

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人科学技術振興機構

NIMS国際ナノアーキテクトニクス拠点は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校と共同で、脳の神経活動の特徴である2つの現象「必要な情報の記憶」と「不要な情報の忘却」をたった一つの素子で自律的に再現する新しい素子“シナプス素子”の開発に世界で初めて成功しました。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田 資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の大野 武雄 博士研究員、長谷川 剛 主任研究者、青野 正和 拠点長らの研究グループは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (米国) のJ. ジムゼウスキー教授と共同で、脳の神経活動の特徴である2つの現象「必要な情報の記憶」と「不要な情報の忘却」をたった一つの素子で自律的に再現する新しい素子“シナプス素子”の開発に世界で初めて成功しました。
  2. 現在のコンピュータシステムは高性能化の限界が近付いているとされ、さらなる高性能化には脳型回路・脳型コンピュータの開発が必要とみられています。その実現に不可欠なのが今回の素子で、いわば1つ1つの神経細胞に相当します。人間の脳は、情報の入力頻度が高いほど確実に記憶し、逆に入力頻度が低ければ曖昧な記憶しか形成されずに忘却します。これらの仕組みは脳の神経回路におけるシナプスの結合強度の変化によって実現されていると考えられています。
  3. 本研究で実現したシナプス素子は、電気信号の入力頻度によって自身の結合強度を調節することができます。信号強度とその入力回数が同じであっても、入力頻度の高い信号は長時間持続する高い結合強度を誘発し、入力頻度の低い信号は一時的にのみ結合強度を増大させます。このようなシナプス素子の動作は脳内におけるシナプスの結合強度の変化とよく一致することが分かりました。
  4. シナプス素子は、金属電極とイオン・電子混合伝導体電極で構成されています。電気信号の入力頻度に依存したイオンの動きを利用し、電極間に形成される金属原子架橋の状態 (シナプスの結合強度) を制御することに成功しました。
  5. 神経回路の重要な構成要素であるシナプスの人工的な再現は脳型回路や脳型コンピュータにとって不可欠です。複雑な回路やソフトウェアによって実現されていた従来の人工シナプスは、予め設計された通りの動作しかできません。シナプス素子は事前の動作設計無しに多様な動作が可能であることから、将来、まるで人間のように経験によって賢くなる人工知能の構築に大きく寄与することが期待されます。
  6. 本研究成果は、日本時間2011年6月27日2:00 (現地時間26日18:00) に英国科学雑誌「Nature Materials」のオンライン速報版で公開されます。
「プレス資料中の図5　シナプス素子を用いた画像記憶。(a)7×7に配列されたシナプス素子のアレー中に入力頻度の異なる二つの画像を同時に記憶するデモンストレーション。アレー中の個々の画素は一つのシナプス素子に対応する。(b)画像記憶の結果。入力間隔が2秒の文字‘1’と20秒の文字‘2’を10回入力してからしばらく待つと、‘1’は表示され続けたのに対し (=長期記憶) 、‘2’は消失した (=短期記憶) 。」の画像

プレス資料中の図5　シナプス素子を用いた画像記憶。
(a)7×7に配列されたシナプス素子のアレー中に入力頻度の異なる二つの画像を同時に記憶するデモンストレーション。アレー中の個々の画素は一つのシナプス素子に対応する。
(b)画像記憶の結果。入力間隔が2秒の文字‘1’と20秒の文字‘2’を10回入力してからしばらく待つと、‘1’は表示され続けたのに対し (=長期記憶) 、‘2’は消失した (=短期記憶) 。