Neuroelectronics as neuromorphic and neurohybryd systems enabled by memristive technology

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Due to its distinctive capability to replicate vital functions of synapses and neurons, memristive devices and arrays enable both the hardware implementation of neural networks and a significant advancement towards integrating artificial electronic and biological systems to address pressing issues in artificial intelligence (AI), robotics, and medicine. This research area is still nascent and can be viewed as part of the broader field of neuroelectronics. The aforementioned is a fusion of analog and digital solutions used for diverse computational tasks inspired by biology. Notably, analog neuromorphic systems that employ memristive components are distinctive features of this arena and they can significantly enhance throughput and energy efficiency in contrast to existing AI accelerators. Designing neuromorphic systems grounded on this fresh component base mandates coordinated and interdisciplinary research and development. The foundation of this scientific and technological field lies in the cross-cutting technology of memristive devices and circuits. This technology enables the development of a novel brain-like information and computing system infrastructure that can be applied in a diverse range of fields. Current perspectives include the seamless integration of memristive devices and arrays with CMOS circuits, and the co-optimization of materials, devices, and architectures to create prototypes for computing and information systems. These systems replicate computational features present in biological neural networks capable of solving cognitive tasks that are typically either intractable by traditional AI or highly time-consuming. Neuroelectronic solutions can integrate with the brain or living neuronal cultures to form neurohybrid systems. In this presentation, we discuss two distinct strategies for connecting memristive systems with biological neural networks both in vitro and in vivo. These include a perceptron using an array of programmable memristive weights represented by metal-oxide resistive-switching devices and a methodology leveraging memristive stochastic plasticity and neural synchrony, which is part of the brain’s spiking architecture. Finally, the concept of a memristive neurohybrid chip is presented to create a compact, multifunctional, bidirectional interface between biological neural networks and memristive electronics, combined with microelectrode and microfluidic systems on a single chip. The technological advancements in component base and the development of memristor-based neuroelectronic systems will diversify hardware for the continuous evolution and mass application of artificial intelligence technologies. This will enable the creation of hybrid intelligence based on the symbiosis of artificial and biological neural networks and allow for the establishment of novel tasks at an unprecedented level.

Full Text

Due to its distinctive capability to replicate vital functions of synapses and neurons, memristive devices and arrays enable both the hardware implementation of neural networks and a significant advancement towards integrating artificial electronic and biological systems to address pressing issues in artificial intelligence (AI), robotics, and medicine. This research area is still nascent and can be viewed as part of the broader field of neuroelectronics. The aforementioned is a fusion of analog and digital solutions used for diverse computational tasks inspired by biology. Notably, analog neuromorphic systems that employ memristive components are distinctive features of this arena and they can significantly enhance throughput and energy efficiency in contrast to existing AI accelerators. Designing neuromorphic systems grounded on this fresh component base mandates coordinated and interdisciplinary research and development. The foundation of this scientific and technological field lies in the cross-cutting technology of memristive devices and circuits. This technology enables the development of a novel brain-like information and computing system infrastructure that can be applied in a diverse range of fields. Current perspectives include the seamless integration of memristive devices and arrays with CMOS circuits, and the co-optimization of materials, devices, and architectures to create prototypes for computing and information systems. These systems replicate computational features present in biological neural networks capable of solving cognitive tasks that are typically either intractable by traditional AI or highly time-consuming. Neuroelectronic solutions can integrate with the brain or living neuronal cultures to form neurohybrid systems. In this presentation, we discuss two distinct strategies for connecting memristive systems with biological neural networks both in vitro and in vivo. These include a perceptron using an array of programmable memristive weights represented by metal-oxide resistive-switching devices and a methodology leveraging memristive stochastic plasticity and neural synchrony, which is part of the brain’s spiking architecture. Finally, the concept of a memristive neurohybrid chip is presented to create a compact, multifunctional, bidirectional interface between biological neural networks and memristive electronics, combined with microelectrode and microfluidic systems on a single chip. The technological advancements in component base and the development of memristor-based neuroelectronic systems will diversify hardware for the continuous evolution and mass application of artificial intelligence technologies. This will enable the creation of hybrid intelligence based on the symbiosis of artificial and biological neural networks and allow for the establishment of novel tasks at an unprecedented level.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding sources. This study was conducted within the framework of the scientific program of the National Center for Physics and Mathematics, section 9 “Artificial Intelligence and Big Data in Technical, Industrial, Natural and Social Systems”.

Competing interests. The author declares that he has no competing interests.

×

About the authors

A. N. Mikhaylov

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Author for correspondence.
Email: mian@nifti.unn.ru
Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».