تعامل موفقیت‌آمیز نورون‌های مصنوعی با سلول‌های واقعی مغز؛ نویدبخش عصر جدید بیوالکترونیک

شکاف اساسی بین زیست‌شناسی و الکترونیک همیشه مسئله زبان بوده است. تراشه‌های سیلیکونی با کد باینری سخت و ولتاژ بالا ارتباط برقرار می‌کنند، در حالی که مغز انسان متکی بر پالس‌های الکتروشیمیایی نرم و ولتاژ پایین است. برای دهه‌ها، پر کردن این شکاف نیازمند نیروی خام بود—ایمپلنت‌هایی که اساساً بافت ظریف مغز را با استفاده از پالس‌های الکتریکی خام مورد خطاب قرار می‌دادند، پالس‌هایی که فاقد ظرافت ارتباط بیولوژیکی طبیعی بودند. این ناسازگاری اساسی، طول عمر و کارایی واسط‌های مغز و ماشین را محدود کرده و در عین حال مانع از آن شده است که دانشمندان کامپیوتر بتوانند کارایی محاسباتی چشمگیر مغز را در سخت‌افزارهای مصنوعی تکرار کنند.[1][2]

اکنون، این الگو در حال تغییر است. در مجموعه‌ای از پیشرفت‌های اخیر، مهندسان با موفقیت نورون‌های مصنوعی‌ای را توسعه داده‌اند که نه تنها سلول‌های مغزی بیولوژیکی را تقلید می‌کنند، بلکه فعالانه با آن‌ها به گفتگو می‌پردازند. این دستگاه‌های مصنوعی با تطبیق زمان‌بندی، شکل و ولتاژ دقیق پالس‌های عصبی طبیعی، از یک آستانه حیاتی در بیوالکترونیک عبور کرده‌اند. این نشان‌دهنده فاصله گرفتن از سیلیکون سخت سنتی و معرفی مواد انعطاف‌پذیر و پویا است که می‌توانند به طور یکپارچه با بافت زنده ادغام شوند، بدون اینکه باعث آسیب یا تحریک پاسخ‌های ایمنی تهاجمی شوند.[1]

پیامدهای این فناوری بسیار فراتر از حوزه ایمپلنت‌های پزشکی است. از آنجایی که مراکز داده هوش مصنوعی مقادیر فزاینده‌ای از برق جهانی و آب را برای خنک‌سازی مصرف می‌کنند، صنعت فناوری به شدت به دنبال سخت‌افزاری است که کارایی انرژی بی‌نظیر مغز را تقلید کند. این نورون‌های مصنوعی جدید، طرحی برای هر دو مورد نوروپروتزهای یکپارچه و محاسبات با توان فوق‌العاده پایین ارائه می‌دهند و به طور بالقوه دو مورد از مهم‌ترین چالش‌های مهندسی قرن بیست و یکم را به طور همزمان حل می‌کنند؛ با جایگزینی ترانزیستورهای سخت با مدارهای پویا و الهام‌گرفته از زیست‌شناسی.[1][2]

جدیدترین جهش رو به جلو از دانشگاه نورث‌وسترن (Northwestern University) حاصل شده است، جایی که محققان با موفقیت نورون‌های مصنوعی انعطاف‌پذیری را چاپ کردند که قادر به فعال‌سازی مستقیم بافت زنده مغز هستند. این تیم مهندسی، که جزئیات کارشان در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است، از چاپ جوهر افشان آئروسل (aerosol jet printing) برای رسوب جوهرهای الکترونیکی تخصصی ساخته شده از دی‌سولفید مولیبدن و گرافن بر روی یک زیرلایه پلیمری انعطاف‌پذیر استفاده کردند. به جای حذف کامل پلیمر تثبیت‌کننده در طول فرآیند ساخت، این تکنیک آن را تا حدی تجزیه می‌کند تا مسیرهای رسانای باریکی ایجاد شود. این طراحی ساختاری منحصربه‌فرد به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا پاسخ‌های الکتریکی بسیار موضعی و شبیه به نورون تولید کنند که معماری فیزیکی شبکه‌های عصبی بیولوژیکی را تقلید می‌کند.

هنگامی که این دستگاه‌های چاپی در آزمایش‌های آزمایشگاهی به برش‌هایی از مخچه موش متصل شدند، نتایج بی‌سابقه بود. نورون‌های مصنوعی پالس‌های الکتریکی تولید کردند که کاملاً با زمان‌بندی و مدت زمان سلول‌های پورکینج (Purkinje cells) طبیعی مطابقت داشت و به طور قابل اعتمادی فعالیت را در مدارهای عصبی زنده تحریک می‌کرد. به جای تولید پالس‌های ساده و یک‌باره مانند ضربان‌سازهای الکترونیکی سنتی، دستگاه‌های جدید الگوهای سیگنال‌دهی بسیار پیچیده‌ای تولید کردند. این الگوها شامل پالس‌های منفرد، شلیک مداوم و الگوهای انفجاری پیچیده بود که شباهت زیادی به نحوه ارتباط و پردازش اطلاعات توسط نورون‌های واقعی در یک ارگانیسم زنده دارد.

مارک سی. هرسام، استاد علوم مواد نورث‌وسترن که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، توضیح داد: «آزمایشگاه‌های دیگر سعی کرده‌اند نورون‌های مصنوعی را با مواد آلی بسازند، و آن‌ها خیلی آهسته پالس می‌زدند. یا از اکسیدهای فلزی استفاده کردند که خیلی سریع هستند. ما در یک محدوده زمانی قرار داریم که قبلاً برای نورون‌های مصنوعی نشان داده نشده بود.» با کار کردن در مقیاس زمانی دقیق مورد نیاز زیست‌شناسی، نورون‌های زنده به نورون مصنوعی طوری پاسخ دادند که گویی یک همتای طبیعی است، و سطحی از زیست‌سازگاری را نشان دادند که قبلاً از دسترس محققان دور بود.

این دقت زمانی برای آینده محاسبات و هوش مصنوعی بسیار حیاتی است. نورون‌های بیولوژیکی فقط پالس‌های ساده شلیک نمی‌کنند؛ آن‌ها از طریق الگوهای سیگنال‌دهی پیچیده ارتباط برقرار می‌کنند که به یک سلول اجازه می‌دهد اطلاعات بسیار بیشتری را نسبت به یک ترانزیستور سیلیکونی باینری سنتی رمزگذاری کند. با به دست آوردن این تنوع سیگنال‌دهی، نورون‌های مصنوعی چاپی می‌توانند عملکردهای بسیار پیچیده‌تری را با استفاده از قطعات بسیار کمتری انجام دهند. این امر کارایی کلی سیستم را به شدت بهبود می‌بخشد و زمینه را برای سخت‌افزار نسل بعدی فراهم می‌کند که واقعاً مانند یک مغز بیولوژیکی عمل می‌کند تا یک ماشین حساب دیجیتال.

همزمان با موفقیت نورث‌وسترن، محققان دانشگاه ماساچوست امهرست (UMass Amherst) قطعه حیاتی دیگری از پازل بیوالکترونیک را حل کرده‌اند: مانع ولتاژ. نورون‌های مصنوعی سنتی معمولاً برای کار کردن به حداقل یک ولت کامل نیاز دارند—تقریباً ده برابر ولتاژ نورون‌های بیولوژیکی. این نیاز به توان بالا آن‌ها را بسیار ناکارآمد و به طور بالقوه برای بافت زنده ظریف مضر می‌سازد. تلاش برای اتصال این دستگاه‌های قدیمی به مغز زنده، مانند وصل کردن یک وسیله خانگی کم‌ولتاژ مستقیماً به یک خط برق صنعتی با ولتاژ بالا بود که منجر به نویز بیش از حد و آسیب سلولی می‌شد.

تیم UMass Amherst برای حل این مشکل، سیلیکون سخت را به طور کامل کنار گذاشت و به جای آن به مواد بیولوژیکی روی آورد. آن‌ها نانوسیم‌های پروتئینی بسیار رسانا را از باکتری Geobacter sulfurreducens برداشت کردند، باکتری منحصربه‌فردی که در ابتدا در یک گودال در اوکلاهاما کشف شد و به طور طبیعی رشته‌های الکتریکی تولید می‌کند تا در محیط خود ارتباط برقرار کرده و زنده بماند. این مواد الکترونیکی پایدار و سبز، پل بیولوژیکی کاملی را فراهم کردند و به تیم مهندسی اجازه دادند تا یک دستگاه مصنوعی بسازند که به طور ذاتی محیط الکتروشیمیایی یک سلول زنده را درک کرده و با آن تعامل کند، بدون نیاز به توان خارجی بیش از حد.

محققان با ترکیب این نانوسیم‌های پروتئینی با یک ممریستور میکروسکوپی—یک مقاومت الکتریکی تخصصی که حافظه فیزیکی از بارهای الکتریکی که قبلاً از آن عبور کرده‌اند را حفظ می‌کند—یک نورون مصنوعی ساختند که تنها با ۰.۱ ولت کار می‌کند. این ولتاژ دقیقاً با پتانسیل غشای استراحت یک سلول مغزی انسان مطابقت دارد. این موفقیت نشان‌دهنده کاهش خیره‌کننده ۱۰۰ برابری در مصرف برق در مقایسه با نسل‌های قبلی نورون‌های مصنوعی است و به سطحی از واقع‌گرایی زیستی و کارایی انرژی دست یافته است که قبلاً در مدارهای مصنوعی دیده نشده بود.

دستگاه‌های UMass توانایی فوق‌العاده‌ای برای ارتباط مستقیم با سیستم‌های زنده نشان دادند. هنگامی که در محیط آزمایشگاهی به سلول‌های قلبی زنده متصل شدند، نورون‌های مصنوعی با موفقیت انقباضات فیزیکی سلول‌ها را در زمان واقعی نظارت کردند. علاوه بر این، هنگامی که محققان نوراپی‌نفرین—هورمونی که به طور طبیعی ضربان قلب را در انسان افزایش می‌دهد—را وارد کردند، نورون‌های مصنوعی به این نشانه شیمیایی واکنش نشان دادند. این ثابت کرد که دستگاه‌های مصنوعی می‌توانند به تعدیل‌کننده‌های عصبی و سیگنال‌های شیمیایی درست مانند سلول‌های بیولوژیکی واقعی پاسخ دهند، نه اینکه صرفاً به ورودی‌های الکتریکی مستقیم از یک واسط کامپیوتری متکی باشند.

در مجموع، این پیشرفت‌ها به سرعت در حال تسریع حوزه محاسبات نورومورفیک هستند. مغز انسان به طور گسترده‌ای کارآمدترین کامپیوتر در جهان شناخته شده است که تریلیون‌ها عملیات پیچیده را در ثانیه با تقریباً ۲۰ وات توان انجام می‌دهد—انرژی معادل مورد نیاز برای روشن کردن یک لامپ کم‌نور. در مقابل، مراکز داده هوش مصنوعی مدرن برای پردازش مدل‌های زبان بزرگ و مدیریت تقاضاهای الگوریتم‌های یادگیری ماشین مدرن، به میلیون‌ها وات برق و زیرساخت‌های عظیم خنک‌کننده آبی که از نظر زیست‌محیطی پرهزینه هستند، نیاز دارند.[1]

از آنجایی که تخمین زده می‌شود مغز بیولوژیکی پنج مرتبه بزرگی (five orders of magnitude) کارآمدتر از یک کامپیوتر دیجیتال سنتی باشد، سخت‌افزار نورومورفیک ساخته شده از این نورون‌های مصنوعی جدید می‌تواند اساساً مسیر توسعه هوش مصنوعی را تغییر دهد. با پردازش اطلاعات از طریق پالس‌های فیزیکی و پویا به جای الگوریتم‌های نرم‌افزاری که بر روی ترانزیستورهای سیلیکونی سخت اجرا می‌شوند، تراشه‌های کامپیوتری آینده می‌توانند مجموعه‌داده‌های عظیم و داده‌محور را با کسری ناچیز از ردپای انرژی فعلی مدیریت کنند. این تغییر به شدت تأثیر زیست‌محیطی صنعت فناوری را کاهش می‌دهد و در عین حال سیستم‌های هوش مصنوعی بسیار پیچیده‌تری را امکان‌پذیر می‌سازد.[2]

در حوزه پزشکی، توانایی ادغام یکپارچه نورون‌های مصنوعی و بیولوژیکی، مرزهای کاملاً جدیدی را برای نوروپروتزهای پیشرفته باز می‌کند. واسط‌های مغز و ماشین کنونی اغلب به دلیل تخریب شدید سیگنال در طول زمان رنج می‌برند، زیرا سیستم ایمنی مغز بافت اسکار محافظی را در اطراف الکترودهای فلزی سخت و خارجی تشکیل می‌دهد. از آنجایی که ایمپلنت‌های سنتی به زبان الکتروشیمیایی بومی مغز صحبت نمی‌کنند، بدن در نهایت آن‌ها را به عنوان اشیاء خارجی رد می‌کند، که به شدت دوام طولانی‌مدت دستگاه‌هایی را که برای کمک به بیماران فلج شده برای بازیابی تحرک، کنترل اندام‌های رباتیک یا بازیابی توانایی‌های ارتباطی از دست رفته طراحی شده‌اند، محدود می‌کند.[1][2]

نورون‌های مصنوعی انعطاف‌پذیر و ولتاژ پایین که به زبان الکتروشیمیایی بومی مغز صحبت می‌کنند، می‌توانند با موفقیت این پاسخ ایمنی تهاجمی را دور بزنند. با تقلید از خواص فیزیکی و الکتریکی بافت بیولوژیکی واقعی، این دستگاه‌های پیشرفته امکان ایمپلنت‌های طولانی‌مدت و با کیفیت بالا را فراهم می‌کنند که قادر به بازیابی عملکردهای حسی از دست رفته، مانند بینایی یا شنوایی هستند. علاوه بر این، آن‌ها می‌توانند کنترل روان و طبیعی بر اندام‌های مصنوعی را برای بیماران فلج شده فراهم کنند، بدون خطر دائمی خرابی نهایی دستگاه به دلیل اسکار بافت یا تخریب الکتریکی در طول سال‌ها استفاده مداوم.[1]

در حالی که این فناوری در حال حاضر در مرحله آزمایشگاهی باقی مانده است، نمایش موفقیت‌آمیز جریان سیگنال سلول به سلول بین شبکه‌های مصنوعی و بیولوژیکی، نقطه عطفی قطعی در علوم مواد و عصب‌شناسی است. دوران تحریک الکتریکی با نیروی خام به تدریج در حال پایان است و راه را برای آینده‌ای بسیار پیچیده باز می‌کند که در آن الکترونیک و زیست‌شناسی به طور بنیادی در هم تنیده شده‌اند. این موفقیت راه را برای یک پارادایم جدید هموار می‌کند و به ماشین‌های پیشرفته اجازه می‌دهد تا به طور یکپارچه بدن انسان را التیام بخشند، در حالی که کارایی ظریف بدن انسان الهام‌بخش نسل بعدی سیستم‌های محاسباتی پایدار و با توان فوق‌العاده پایین است.[1]