Una memoria fotónica que imita las neuronas

No son pocos los avances en la ciencia y la tecnología que se inspiran en las formas y estructuras presentes en la naturaleza. El cerebro es uno de estos elementos naturales en los cuales la comunidad científica busca nuevas ideas y soluciones tecnológicas para desarrollar sistemas computacionales más eficaces y potentes. En este sentido, un equipo multidisciplinario de investigadores, entre los cuales el doctor Julien Javaloyes, del Departamento de Física de la Universidad de las Illes Balears, y el doctor Bruno Romeira, investigador postdoctoral del programa europeo de becas Marie Curie en la UIB, se ha fijado concretamente en el funcionamiento de las neuronas para desarrollar un circuito de memoria lumínico que permite escribir, remodelar y almacenar información usando fibra óptica convencional a velocidades muy superiores a las que se dan en las respuestas de las mismas neuronas.

El trabajo de B. Romeira, R. Avó y J. L. M. Figueiredo, de la Universidad de Algarve (Portugal) y la Universidad de Tecnología de Eindhoven (Holanda); S. Barland, del Instituto Non Linéaire de Nice(Francia); y Julien Javaloyes, de la UIB, se ha publicado recientemente en la revista Scientific Reports, del grupo Nature.

El sistema desarrollado por los investigadores emula la autapsis, un tipo de conexión de autoretroacción común en el sistema nervioso, que consiste en la sinapsis entre una neurona y una rama de su propio axón. Aunque la función de este tipo de conexión neuronal aún resulta incierta, estudios recientes sugieren que las neuronas de transmisión autáptica están involucradas en respuestas de larga duración a estímulos breves y que su actividad persistente tiene importantes implicaciones en la regulación local de la retroacción y en la memoria.

Los investigadores han desarrollado un innovador circuito de memoria que imita la estructura de las conexiones neuronales autápticas combinando un resonador no-linear de nanoescala y de gran velocidad, como es el diodo de túnel resonante, con una fuente de luz láser de diodo. Así, han conseguido formar un nuevo tipo de chip resonador fotónico neuromórfico. Para testarlo como memoria, los investigadores enviaron una secuencia de bits aleatorios disparando una respuesta neuronal de impulso electroóptico. Después, retrasando la respuesta con un bucle de fibra óptica, los investigadores demostraron la posibilidad de construir una memoria regenerativa como resultado del feedback temporal retrasado del impulso de respuesta sobre la misma neurona. Así pues, imitando una conexión autápica, los investigadores han demostrado la capacidad de escribir, remodelar y almacenar paquetes fotónicos de información usando fibra óptica convencional a una velocidad muy superior que la respuesta neuronal típica, lo cual convierte esta tecnología en muy prometedora para el desarrollo de innovadores sistemas de comunicaciones ópticas de alta tasa de bits inspirados en el funcionamiento del cerebro.

Además, la memoria fotónica inspirada en el funcionamiento neuronal muestra propiedades de ubicuidad que podrían aportar luz sobre la manera como la información se almacena en el cerebro. Por ejemplo, los investigadores han observado que la información almacenada en la fibra óptica estaba compuesta de paquetes fotónicos coherentes que tenían todas las propiedades de patrones localizados. Los patrones localizados son abundantes en la naturaleza, como por ejemplo el patrón de rayas de una cebra. Dado que en las memorias inspiradas en las neuronas se puede dirigir, crear y destruir fácilmente estos patrones localizados individuales de información, esto asegura una robustez y una flexibilidad adicional a la memoria, lo cual representa una ventaja única y un gran avance conceptual que todavía resta sin explorar en el campo de los sistemas neuromórficos.

Referencia bibliográfica:

B. Romeira, R. Avó, José M. L. Figueiredo, S. Barland & J. Javaloyes. «Regenerative memory in time-delayed neuromorphic photonic resonators». Scientific Reports, 6, 19510 (2016). doi:10.1038/srep19510