بیوکامپیوتر: ترکیب بافت مغز رشد یافته در آزمایشگاه با سخت افزار الکترونیکی
محققان یک بیوکامپیوتر هیبریدی – ترکیبی از بافت مغز انسان در آزمایشگاه با مدارهای الکترونیکی معمولی – ساختهاند که میتواند وظایفی مانند تشخیص صدا را انجام دهد.
این فناوری که در ۱۱ دسامبر در Nature Electronics توضیح داده شد، میتواند روزی در سیستمهای هوش مصنوعی (AI) ادغام شود یا اساس مدلهای بهبود یافته مغز در تحقیقات علوم اعصاب را تشکیل دهد.
محققان این سیستم را Brainoware می نامند
این سیستم از ارگانوئیدهای مغزی استفاده میکند – دستههایی از سلولهای انسانی شبیهساز بافت که در تحقیقات برای مدلسازی اندامها استفاده میشوند. ارگانوئیدها از سلول های بنیادی ساخته می شوند که می توانند به انواع مختلف سلول ها تمایز پیدا کنند. در این مورد، آنها به نورونهایی شبیه به سلولهای موجود در مغز ما تبدیل شدند.
فنگ گوئو، یکی از نویسندگان این مطالعه، مهندس زیستی در دانشگاه ایندیانا بلومینگتون، میگوید:
هدف این تحقیق ایجاد «پلی بین هوش مصنوعی و ارگانوئیدها» است. برخی از سیستمهای هوش مصنوعی به شبکهای از گرههای به هم پیوسته، که به عنوان شبکه عصبی شناخته میشوند، به شیوهای مشابه عملکرد مغز متکی هستند. او میگوید: «ما میخواستیم این سؤال را بپرسیم که آیا میتوانیم از شبکه عصبی بیولوژیکی درون ارگانوئید مغز برای محاسبات استفاده کنیم؟»
بهره گیری از قدرت مغز
برای ساخت Brainoware، محققان یک ارگانوئید منفرد را روی صفحهای حاوی هزاران الکترود قرار دادند تا بافت مغز را به مدارهای الکتریکی متصل کند. سپس اطلاعات ورودی را به الگویی از پالس های الکتریکی تبدیل کردند و به ارگانوئید تحویل دادند. پاسخ بافت توسط یک حسگر گرفته شد و با استفاده از یک الگوریتم یادگیری ماشین رمزگشایی شد.
برای آزمایش قابلیتهای Brainoware، تیم تحقیقاتی از این تکنیک برای انجام تشخیص صدا با آموزش این سیستم بر روی ۲۴۰ صدای ضبط شده از هشت نفر در حال صحبت استفاده کرد. ارگانوئید الگوی متفاوتی از فعالیت عصبی در پاسخ به هر صدا ایجاد کرد. هوش مصنوعی یاد گرفت که این پاسخ ها را برای شناسایی گوینده، با دقت ۷۸ درصد تفسیر کند.
لنا اسمیرنوا، عصبشناس رشدی در دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور مریلند میگوید اگرچه تحقیقات بیشتری مورد نیاز است، اما این مطالعه برخی از ایدههای نظری کلیدی را تأیید میکند که در نهایت میتواند یک کامپیوتر بیولوژیکی را ممکن کند. آزمایشهای قبلی فقط کشتهای دو بعدی سلولهای عصبی را نشان دادهاند که میتوانند وظایف محاسباتی مشابهی را انجام دهند، اما این اولین بار است که در یک ارگانوئید مغزی سهبعدی نشان داده میشود.
مدل مغز بهتر
گوئو می گوید که ترکیب ارگانوئیدها و مدارها می تواند به محققان اجازه دهد تا از سرعت و کارایی انرژی مغز انسان برای هوش مصنوعی استفاده کنند.
آرتی آهلووالیا، مهندس زیست پزشکی در دانشگاه پیزا در ایتالیا، میگوید این فناوری میتواند برای مطالعه مغز نیز مورد استفاده قرار گیرد، زیرا ارگانوئیدهای مغزی میتوانند معماری و عملکرد مغز در حال کار را به روشهایی تکرار کنند که کشتهای سلولی ساده نمیتوانند. پتانسیل استفاده از Brainoware برای مدلسازی و مطالعه اختلالات عصبی مانند بیماری آلزایمر وجود دارد. همچنین می توان از آن برای آزمایش اثرات و سمیت درمان های مختلف استفاده کرد. Ahluwalia میگوید: «امیدوارم روزی اینها جایگزین مدلهای مغز حیوانی شود».
اما استفاده از سلول های زنده برای محاسبات خالی از اشکال نیست.
یک مسئله بزرگ این است که چگونه ارگانوئیدها را زنده نگه داریم. سلول ها باید در انکوباتورها رشد کرده و نگهداری شوند، چیزی که هر چه ارگانوئیدها بزرگتر شوند سخت تر می شود. و کارهای پیچیدهتر به مغزهای بزرگتری نیاز دارند.
برای ارتقای قابلیتهای Brainoware، گامهای بعدی شامل بررسی این موضوع است که چگونه ارگانوئیدهای مغزی میتوانند برای تکمیل کارهای پیچیدهتر استفاده شوند، و مهندسی آنها به گونهای که پایدارتر و قابل اعتمادتر از آنچه اکنون هستند، باشند. اگر قرار باشد این تراشهها در ریزتراشههای سیلیکونی که در حال حاضر در محاسبات هوش مصنوعی استفاده میشوند، ادغام شوند، بسیار مهم خواهد بود.
منبع:
Cai, H. et al. Nature Electron.https://doi.org/10.1038/s41928-023-01069-w (2023).
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03975-7
