Blog

Dirbtiniai neuronai pradėjo „kalbėtis“ su gyvu smegenų audiniu. „Northwestern University“ mokslininkų komanda sukūrė spausdintus, lanksčius įrenginius, galinčius generuoti elektrinius signalus, itin panašius į biologinius. Jie pasirodė tokie įtikinami, kad sugebėjo sužadinti neuronus pelių smegenų audinio pjūviuose. Tyrimas balandžio 15 dieną paskelbtas žurnale Nature Nanotechnology.

Svarbiausia – ko čia nebuvo padaryta. Mokslininkai neprijungė „dirbtinės sąmonės“ prie smegenų, nesukūrė skaitmeninio žmogaus atitikmens ir nepradėjo futuristinio dialogo, verto mokslinės fantastikos serialo. Jie pademonstravo kur kas konkretesnį ir praktiškai vertingesnį dalyką: spausdinti dirbtiniai neuronai gali generuoti impulsus, pakankamai realistiškus, kad gyvos nervinės ląstelės juos priimtų kaip prasmingą signalą.

Tai reikšmingas žingsnis neuroprotezų ir smegenų–mašinos sąsajų (interfeisų) srityje. Ilgą laiką problema buvo ne vien tai, kad elektronika apskritai „veiktų“, bet kad ji nebendrautų su nervų sistema pernelyg grubia, standžia ir daug energijos reikalaujančia „kalba“. Smegenys neveikia kaip vienodų tranzistorių eilė – jos yra minkštas, nuolat kintantis labai skirtingų ląstelių tinklas. Jei elektronika turi su tuo tinklu susikalbėti, ji privalo būti ne tik skaičiuotuvas, bet ir patikimas „vertėjas“.

Ne dar vienas lustas, o bandymas kalbėti „biologiškiau“

Klasikinė neuromorfinė elektronika jau seniai bando imituoti neuronus, tačiau dažnai tai daro gana sąlygiškai. Tokios sistemos gali atkurti tam tikrus aktyvumo modelius, bet dažniausiai būna standžios, energijai imlios ir sudarytos iš vienodų elementų – labiau primena vienodus modulius, o ne nervinį audinį. Smegenyse yra priešingai: įvairovė nėra sistemos klaida, tai viena pagrindinių jos savybių.

Marko Hersamo vadovaujama komanda pasirinko spausdinamas ir lanksčias medžiagas. Naujųjų įrenginių pagrindą sudaro elektroniniai „rašalai“, paremti molibdeno disulfido (puslaidininkio) dribsniais ir grafenu (laidininku). Paprasčiau tariant, vietoje kieto, vienalytės struktūros silicio sprendimo mokslininkai sukūrė kažką, kas geriau atspindi biologinės aplinkos minkštumą ir kintamumą.

Šis metodas turi ir kitą pranašumą: adityvinė (sluoksniuojamoji) spauda dažnai yra pigesnė ir mažiau švaistanti medžiagas nei tradicinė pažangių mikroschemų gamyba. Medžiaga uždedama ten, kur jos reikia, o ne pirma paskleidžiama plačiai ir vėliau sudėtingai išėsdinama. Pasaulyje, kuriame vienu metu stengiamasi spartinti dirbtinio intelekto plėtrą ir mažinti energijos sąnaudas, tokie sprendimai praktiškai gali būti svarbesni už garsiai skambančias „revoliucijas“.

Ką iš tiesų reiškia, kad dirbtiniai neuronai „kalbėjosi“ su smegenimis?

Svarbiausia tyrimo dalis buvo ne pats įrenginio atspausdinimas, o biologinis bandymas. Dirbtiniai neuronai buvo prijungti prie pelių smegenėlių audinio pjūvių ir patikrinta, ar jų generuojami impulsai sukels atsaką gyvuose nerviniuose tinkluose. Sukėlė: gyvi neuronai į dirbtinius signalus reagavo taip, kaip reaguoja į impulsus iš kitų ląstelių.

Būtent čia ir yra esmė. Svarbu ne tai, kad elektronika „apsimeta smegenimis“ abstrakčia prasme, o tai, kad ji sugeba sukurti biologiškai įtikinamą signalą. Nervų sistemoje toks įtikinamumas kritiškai svarbus: neuronai nereaguoja į bet kokį impulsą. Reikšmę turi signalo forma, dinamika ir tarsi visas jo elektrinis „akcentas“.

Vis dėlto būtina išlaikyti proporcijas. Tai buvo bandymai su pelių smegenų audinio fragmentais, ne su gyvu žmogumi ir ne klinikinėmis sąlygomis. Tai dar ne implantas, kuris rytoj sugrąžins regėjimą ar judėjimą. Tačiau kaip principo įrodymas tai labai stiprus rezultatas: jis rodo, kad spausdinta, minkšta elektronika gali įsitraukti į tikrą „dialogą“ su nerviniu audiniu, o ne vien siųsti primityvius, mechaninius dirgiklius.

Kam to reikia, jei jau turime dirbtinį intelektą ir įprastus lustus?

Pirmasis atsakymas – medicininis. Tokios technologijos ateityje gali būti naudingos neuroprotezams ir sąsajoms, padedančioms atkurti ar kompensuoti klausą, regėjimą ar judėjimą. Jei dirbtinė sistema turi padėti apeiti pažeistą nervų sistemos vietą, neužtenka, kad ji tiesiog „praleistų srovę“. Ji turi „kalbėti“ su neuronais taip, kad organizmas tą informaciją laikytų prasminga – o tai ilgą laiką elektronikai buvo sudėtinga.

Antrasis atsakymas susijęs su smegenimis įkvėptais skaičiavimais. Hersamo komanda pabrėžia, kad smegenys yra keliais dydžio laipsniais energiškai efektyvesnės už šiuolaikines skaitmenines sistemas. „Northwestern University“ komunikacijoje minima, kad pranašumas gali siekti net penkis dydžio laipsnius, palyginti su tradiciniu skaitmeniniu kompiuteriu. Dėl to ieškoma aparatinės įrangos, kuri nebūtų vien greitesnė šiandieninių lustų versija, o apdorotų informaciją labiau „neuroniškai“.

Apie dirbtinį intelektą dažniausiai kalbama modelių, duomenų ir vis didesnių serverių kontekste. Rečiau primenama, kad šios lenktynės vis labiau atsiremia į energijos ribas. Smegenys sprendžia itin sudėtingas užduotis be milžiniškų aušinimo sistemų ir nepareikalaudamos ištisų elektrinių galios. Jei elektronika nori priartėti prie tokio efektyvumo, ji negali būti vien vis tankiau supakuota vienodų jungiklių masė.

Šaltinis: „EurekAlert“.

Didysis kanjonas dažniausiai pristatomas per uolas, aukščius ir vaizdus, lyg geologija čia būtų pasistačiusi savo katedrą. Tačiau viena svarbiausių šios vietos istorijų vyksta ne ant sienų ar terasų, o po jomis. Kalbama apie vandenį – tą patį, kurį turistai pila į gertuves, kuriuo gyvena augalai ir gyvūnai, ir be kurio kanjono ekosistema greitai virstų pamoka apie išgyvenimo ribas. Vienas svarbiausių šaltinių yra Roaring Springs, o nauji tyrimai rodo, kad šis vandens tiekimas priklauso nuo gerokai sudėtingesnės požeminės hidraulikos, nei ilgus metus buvo patogu manyti.

Čia ypač tinka „uolų kaip šveicariško sūrio“ palyginimas. Tai nėra vien graži metafora – tai tikslus karstinių kalkakmenių apibūdinimas, kai uolienoje gausu tuštumų ir ertmių, kuriomis vanduo gali judėti greitai, toli ir stebėtinai nenuspėjamai. Tokia sandara palanki galingiems šaltiniams, tačiau ji gerokai mažiau džiugina tuos, kurie tikisi, kad uola visada veikia kaip patikimas filtras. Šiuo atveju dažnai taip nėra.

Tyrėjai iš „Northern Arizona University“ bando „atidaryti juodąją dėžę“: žinoma, kas patenka į sistemą paviršiuje, ir žinoma, kas išteka šaltiniuose. Sunkiausia suprasti, kaip tiksliai vanduo nukeliauja tarp šių taškų – per plyšius, lūžius, smegduobes ir urvus, pasislėpusius šimtus ar net tūkstančius pėdų po žeme.

Požeminė kraujotaka svarbesnė, nei atrodo nuo kanjono krašto

Roaring Springs nėra vien hydrologinė įdomybė – tai vienas svarbiausių vandens šaltinių Didžiojo kanjono regione. Jis aprūpina žmones, augaliją ir gyvūniją, o jo veikla pirmiausia siejama su paviršiniu vandeniu, daugiausia su Kaibabo plynaukštėje tirpstančiu sniegu. Tačiau šis kelias visai nepanašus į lėtą vandens sunkimąsi per sluoksnius. Tarp paviršiaus ir šaltinių yra kelios geologinės struktūros, o realūs srautai priklauso nuo to, kur uoliena suskilusi, kur atvira, o kur vandeniui leidžia pradingti beveik be pėdsakų.

Parke anksčiau atlikti dažų testai itin aiškiai parodė, koks „neramus“ gali būti procesas. Nudažytas vanduo iš paviršinių smegduobių iki šaltinių įveikdavo apie 20 kilometrų kartais vos per maždaug savaitę. Tai labai greita. Populiarioje vaizduotėje Didysis kanjonas siejamas su kantria geologija, dirbančia milijonus metų, tačiau vietomis jo požeminis vanduo elgiasi taip, lyg puikiai žinotų slaptus trumpesnius kelius.

Jei vanduo juda per išplėtotą karstinį kanalų ir ertmių tinklą, kartu su juo gali keliauti ir teršalai. Uolienoje, primenančioje „šveicarišką sūrį“, natūraliam apsivalymui dažnai tiesiog nepakanka laiko. Tai reiškia, kad nuoplovos po gaisrų ar bakterinis užterštumas, pavyzdžiui, E. coli, gana greitai gali pasiekti šaltinių sistemą, nuo kurios priklauso parko veikla.

Urvai, kurių ilgai beveik niekas nebuvo matęs iš tikrųjų

Vienas įdomiausių šios istorijos aspektų – lauko darbų mastas. Komanda naudojo mobilųjį lidarą ir kūrė trimačius urvų modelius giliai Didžiojo kanjono karstinėje sistemoje. Per 45 dienas tyrėjai ir savanoriai sužymėjo daugiau nei 10 kilometrų požeminių koridorių, įskaitant ankštas landas ir dideles sales. Tai pirmasis tokio detalumo 3D žemėlapis šio regiono urvams.

Tai nebuvo tyrimas, kur geologija patogiai telpa kompiuterio ekrane. Kai kurias vietas reikėjo pasiekti per dvi dienas, nešant sunkias kuprines, o tada judėti vietovėmis, kur būtinas lipimas, nusileidimai ir ėjimas per apsemtas atkarpas. Toks darbas primena, kad dalis svarbiausių atsakymų apie kraštovaizdžio veikimą vis dar slypi ten, kur juos tenka tiesiogine prasme išsikovoti iš uolos, purvo ir tamsos.

Vis dėlto svarbiausia – ne patys 3D modeliai, o tai, ką jie padeda suprasti. Urvų struktūra, plyšių tinklas ir koridorių forma leidžia sujungti tai, kas matoma paviršiuje, su procesais giliai po juo. Tai primena bandymą suprasti miestą ne pagal gatves, o pagal tunelių, kanalų ir techninių komunikacijų tinklą. Tik tada išryškėja, kodėl srautas juda būtent taip, iš kur atsiranda vanduo ir kur sistema yra jautriausia.

Sniegas, smegduobės ir labai šiuolaikiška problema

Naujoje tyrimų fazėje numatoma abiejose kanjono pusėse kartografuoti smegduobes, pasitelkiant orlaiviuose montuojamą lidarą ir kelių dešimtmečių palydovinius archyvinius duomenis. Tikslas – ne tik tiksliau nustatyti, kur vanduo pradingsta po žeme, bet ir įvertinti, kaip per pastaruosius 40 metų kito sniego sankaupos. Tai svarbu, nes Arizonoje fiksuojamas mažėjantis sniego kiekis, o Didysis kanjonas nėra nuo šios tendencijos izoliuotas.

Galima žavėtis uolienų amžiumi ir kanjono gylio mastu, tačiau kasdienis gyvenimas čia priklauso nuo visiškai šiuolaikiškų klausimų: kiek sniego dar iškris, kaip jis tirps ir ar požeminė sistema sugebės tiekti vandenį tokiu pat pastovumu kaip anksčiau. Kraštovaizdis atrodo monumentalus ir stabilus, bet jo vandens logika gali būti daug trapesnė, nei leidžia manyti didingos sienos.

Prie to prisideda ir aplinkos pokyčių rizika po gaisrų. Tyrėjai tai tiesiai sieja su „Dragon Bravo Fire“ kontekstu: nuoplovos iš tokių teritorijų gali pabloginti vandens kokybę ir apsunkinti duomenų interpretavimą. Tai gerai parodo, kaip net „amžinas“ kraštovaizdis priklauso nuo įvykių, kurie žmogaus masteliu yra staigūs, brutalūs ir visiškai šiuolaikiški.

Senovinio Amoso miesto griuvėsiuose rastas akmenyje iškaltas žemės nuomos kontraktas, datuojamas maždaug prieš 2200 metų, pasirodė esąs itin vertingas to laikotarpio dokumentas. Atlikę išsamias ekspertizes, tyrėjai padarė išvadą, kad tai vienas detaliausių išlikusių įrašų, reguliavusių žemdirbystės gyvenimą helenistiniame pasaulyje.

Akmeninis kontraktas iš senovės

Radinis aptiktas dabartinės Turkijos teritorijoje, netoli šiuolaikinio Fethiye. Dokumentas buvo iškaltas akmenyje, todėl išliko iki mūsų dienų, o jo turinys atskleidžia ne paprastą susitarimą, bet tikslų taisyklių rinkinį, apibrėžiantį, kaip nuomininkas privalėjo naudoti žemę.

Pasak mokslininkų, šis tekstas suteikia galimybę itin detaliai pažvelgti į kasdienybę prieš daugiau nei du tūkstantmečius. Kontrakte aprašyti reikalavimai peržengė įprastą nuomos mokesčio ar laikotarpio nustatymą – jame buvo pateiktos konkrečios žemdirbystės gairės, įskaitant net tokias smulkmenas kaip medžių sodinimo gylis.

Toks detalumas rodo, kad žemės savininkai – tikėtina, miesto institucijos arba šventyklos – turėjo aiškią viziją, kaip sklypas turi būti tvarkomas, ir tikėjosi griežto šių nurodymų laikymosi.

Kontraktas taip pat apibrėžė pareigas, susijusias su žemės ūkio infrastruktūros ir paties teritorijos ploto priežiūra. Nuomininkas buvo įpareigotas rūpintis žeme taip, kad būtų užtikrintas ilgalaikis jos produktyvumas. Tai leidžia manyti, kad anuometinės bendruomenės ne vien naudojosi gamtos ištekliais, bet ir sąmoningai juos valdė, mąstydamos ilgesnėje perspektyvoje – galbūt net kelių kartų.

Netikėtai šiuolaikiška senovinė nuoma

Tyrėjai pabrėžia, kad šis dokumentas liudija aukštą ekonominės organizacijos lygį helenistiniame pasaulyje. Tokie kontraktai nebuvo vien formalumas – jie veikė kaip kontrolės ir žemės ūkio produkcijos planavimo priemonė. Tai leido užtikrinti stabilesnį maisto tiekimą ir efektyviau išnaudoti bendruomenės ar elitui priklausančią žemę.

Be to, įrašas leidžia spręsti apie išplėtotą teisinę sistemą, kurioje buvo reglamentuojami ir įgyvendinami net techniniai niuansai. Tai rodo visuomenę, kuriai buvo svarbūs aiškumas, tvarka, nuspėjamumas ir ūkinis efektyvumas. Praktikoje ūkininkas nebuvo visiškai savarankiškas – jo veiksmai turėjo atitikti savininko nustatytas taisykles.

Amose rastas kontraktas tampa tikra žinių kasykla apie regiono socialinę ir ekonominę sandarą. Jis paneigia supaprastintą įsivaizdavimą, esą senovės žemdirbiai veikė spontaniškai ar tik intuicija. Priešingai – dokumentas atskleidžia pasaulį, kuriame žemės ūkis buvo kruopščiai planuojamas, reguliuojamas ir prižiūrimas. Tokie nurodymai kaip medžių sodinimo reikalavimai leidžia manyti, kad agrarinės žinios buvo ne tik pažengusios, bet ir sistemingai perduodamos bei kontroliuojamos.

Šaltinis: A new fragment of an Amian lease contract

Po dirbamais laukais šimtmečius slėpėsi statinys, kurį šiandien mokslininkai vadina vienu įspūdingiausių romėnų inžinerijos pasiekimų į šiaurę nuo Alpių. Archeologai pranešė identifikavę senovinį kanalą, kuris veikė tarsi vandens „superautostrada“ ir, tyrėjų teigimu, buvo svarbi Romos imperijos logistikos sistemos dalis.

Kanalas aptiktas Hessische Ried regione, netoli Trebur-Astheim. Iš pradžių mokslininkai po žeme pastebėjo neįprastą tiesią struktūrą, primenančią seną upės vagą. Vis dėlto išsamesni geofiziniai tyrimai, įskaitant magnetometriją, elektrovaržos tomografiją ir nuogulų gręžinius, parodė, kad tai nėra natūrali formacija – visa konstrukcija sukurta žmogaus rankomis.

Milžiniškas projektas prieš du tūkstančius metų

Nustatyta, kad kanalas buvo apie 15 metrų pločio ir daugiau kaip 2 metrų gylio. Manoma, jog jis įrengtas laikotarpiu tarp I ir IV amžiaus ir turėjo tiesioginę jungtį su Reino upe – viena svarbiausių senovės Europos transporto arterijų.

Jo paskirtis buvo aiški: užtikrinti greitą ir saugų prekių bei kariuomenės judėjimą tarp upės ir romėnų karinių objektų. Ypač svarbu tai, kad kanalas jungėsi su vadinamuoju burgusu – įtvirtintu gynybiniu punktu – ir vidaus vandenų uostu Trebur-Astheim. Tokie objektai veikė kaip pasienio logistikos mazgai, padėję saugoti imperijos pakraščius.

Tyrėjai spėja, kad ši infrastruktūra galėjo būti plėtojama imperatoriaus Valentiniano I laikais, antroje IV amžiaus pusėje, kai Roma aktyviai stiprino sienų apsaugą palei Reiną. Taigi kanalas buvo ne vien transporto sprendimas, bet ir platesnės karinės-administracinės sistemos dalis.

Inžinerija, keitusi kraštovaizdį

Tyrimai rodo, kad kanalas buvo integruotas į didesnę hidrologinę sistemą, žinomą kaip Landgraben/Schwarzbach. Esminis dalykas – tai ne natūralios upės atkarpa, vėliau pritaikyta žmonių reikmėms, o nuo nulio suprojektuota ir įrengta dirbtinė konstrukcija.

Surinkti duomenys liudija, kad romėnai ne tik prisitaikydavo prie aplinkos, bet ir gebėjo ją aktyviai formuoti dideliu mastu. Kanalo statyba reikalavo ne vien inžinerinių žinių: būtinas buvo tikslus vandens srautų planavimas, grunto stabilizavimas ir infrastruktūros priežiūra dešimtmečiais. Kitaip tariant, romėnai kūrė ištisas vandens sistemas, pritaikytas kariniams ir ūkiniams tikslams – iki šiol tai buvo geriau dokumentuota pietinėje Europoje nei dabartinės Vokietijos teritorijoje.

Vienas netikėčiausių atradimo aspektų – tai, kiek ilgai kanalas išliko naudojamas. Nuogulų analizė leidžia manyti, kad jis veikė net iki VIII amžiaus, t. y. gerokai po Vakarų Romos imperijos žlugimo. Vėlesniais šimtmečiais kanalą naudojo merovingų ir karolingų bendruomenės, o tai rodo romėniškos infrastruktūros patvarumą ir praktiškumą.

Taip pat yra požymių, kad šis vandens kelias galėjo prisidėti prie karališkųjų rūmų Trebure statybų, minimų IX amžiaus istoriniuose šaltiniuose. Vis dėlto ilgainiui sistema nebebuvo prižiūrima: kanalas pamažu uždumblėjo ir galiausiai visiškai pranyko po dirvožemio sluoksniais, tapdamas nematomas ateities kartoms.

Šaltinis: „Land“