生きた脳細胞を直接刺激する「印刷型人工神経」、米大学が開発

最先端のAIモデルを動かすためにデータセンターが街ひとつ分もの電力を食い潰す一方で、人間の脳はわずかなエネルギーで思考し、話し、周囲を認識しています。この圧倒的なエネルギー効率の差を埋めようと、米ノースウェスタン大学の研究チームがユニークなアプローチに乗り出しました。

同大学のマーク・C・ハーサム教授らが率いるチームは、生きた脳細胞と直接コミュニケーションを取り、実際に神経を活性化できる柔軟な印刷型人工ニューロンを開発しました。研究成果は学術誌『Nature Nanotechnology』に掲載されています。

不純物を武器に変えたナノインク

従来のシリコン半導体は、硬い板の上に何十億個もの均一なトランジスタを並べることで性能を出しています。一度作れば形も機能も変わりません。しかし生体の脳は柔軟で動的、三次元にネットワークを組み替える真逆の仕組みです。

チームはシリコンを捨て、半導体である二硫化モリブデンと高導電性のグラフェンを用いた特殊な電子インクを調合。エアロゾルジェット印刷と呼ばれる技術で、薄く柔らかい素材の上に人工ニューロンを直接プリントしました。

面白いのは、インクに含まれる邪魔者だった高分子ポリマーの使い道です。以前は電気信号を乱す欠陥とみなされていましたが、研究チームはあえて一部を残しました。電圧がかかるとポリマーが制御された形で変形し、極めて狭い電流の通り道を形成。これが本物の神経細胞のような鋭いスパイク信号を生み出す鍵になりました。

この素子は単純なパルスだけでなく、連続発火やバースト発火といった生体特有の複雑な信号パターンを再現できます。マウスの脳組織切片を用いた実験では、人工ニューロンが発した信号を生体の神経細胞がしっかりと受け止め、実際に細胞を興奮させることに成功しました。

なぜ重要か

医療機器と次世代コンピューティングの両面において、極めて筋の良いアプローチだと私たちは評価しています。

まず医療分野では、脳のインターフェースや神経義肢の進化に直結します。硬いシリコン電極を生体に埋め込むと組織を傷つけやすく、信号の同期も容易ではありません。印刷で作れる柔軟で安価な素子が生体信号をリアルに再現できるなら、視覚や聴覚、運動機能の回復を目指すインプラントの身体負担を大幅に減らせる可能性があります。

そしてAI業界にとっては、深刻化する電力問題に対する現実的な処方箋になり得ます。ハーサム教授が指摘するように、脳のエネルギー効率はデジタルコンピュータより桁違いに優れています。現在のデータセンターのように莫大な電力と冷却水を消費する力技のAI開発は限界が見えつつあり、脳の物理的な情報伝達を模倣するハードウェアへの転換が急務です。

もちろん、現段階ではマウスの脳切片を使った基礎実験の段階です。生体内に長期間埋め込んだ際の耐久性や、印刷素子の大規模な集積化など、越えるべきハードルは山積みです。それでも、AIを賢くするためにシリコンを増やすのではなく「構造そのものを脳に近づける」という試みは、将来のハードウェア開発に確かな道筋を示しています。