دانشمندان از مغزهای مینیاتوری انسان برای ساخت «کامپیوترهای زنده» استفاده می‌کنند

این ایده ممکن است ریشه در داستان‌ های علمی-تخیلی داشته باشد، اما تعداد کمی از محققان در حال پیشرفت واقعی برای ساخت کامپیوتر از سلول‌ های زنده هستند. به دنیای عجیب رایانش زیستی (biocomputing) خوش آمدید.

به گزارش بخش اخبار علمی زوم تک به نقل از BBC، در میان پیشگامان این عرصه، گروهی از دانشمندان در سوئیس قرار دارند. آنها امیدوارند روزی شاهد مراکز داده‌ای پر از سرورهای «زنده» باشیم که جنبه‌ هایی از نحوه یادگیری هوش مصنوعی (AI) را تقلید می‌کنند و می‌ توانند تنها کسری از انرژی روش‌ های فعلی را مصرف کنند. این چشم‌انداز دکتر فرد جردن، هم‌ بنیان‌گذار آزمایشگاه FinalSpark است.

به دنیای عجیب رایانش زیستی خوش آمدید

همه ما با ایده‌های سخت‌افزار و نرم‌افزار در کامپیوترهایی که در حال حاضر استفاده می‌کنیم، آشنا هستیم. اصطلاح تا حدودی تعجب‌آوری که دکتر جردن و دیگران در این زمینه برای اشاره به چیزی که می‌سازند استفاده می‌کنند، «Wetware» (افزار خیس) است. به زبان ساده، این فرآیند شامل ایجاد نورون‌هایی است که به خوشه‌هایی به نام ارگانوئید (organoid) تبدیل می‌شوند و این ارگانوئیدها نیز به نوبه خود می‌توانند به الکترودها متصل شوند؛ در این نقطه است که فرآیند تلاش برای استفاده از آن‌ها مانند مغزهای مینیاتوری کامپیوتری می‌تواند آغاز شود.

«Wetware» چیست و چگونه ساخته می‌ شود؟

دکتر جردن اذعان می‌کند که برای بسیاری از مردم، خود مفهوم رایانش زیستی احتمالاً کمی عجیب است. او می‌گوید: «در داستان‌های علمی-تخیلی، مردم مدت‌هاست با این ایده‌ها زندگی کرده‌اند. وقتی شروع به گفتن این می‌کنید که ‘من قصد دارم از یک نورون مانند یک ماشین کوچک استفاده کنم’، این دیدگاه متفاوتی نسبت به مغز خودمان است و باعث می‌شود از خود بپرسید ما چه هستیم.»

برای آزمایشگاه FinalSpark، این فرآیند با سلول‌های بنیادی مشتق شده از سلول‌های پوست انسان آغاز می‌شود که آن‌ها را از یک کلینیک در ژاپن خریداری می‌کنند. اهداکنندگان واقعی ناشناس هستند. اما، شاید به طور شگفت‌آوری، آن‌ها با کمبود پیشنهاد مواجه نیستند. او می‌گوید: «ما افراد زیادی داریم که به ما مراجعه می‌کنند. اما ما فقط سلول‌های بنیادی را از تأمین‌کنندگان رسمی انتخاب می‌کنیم، زیرا کیفیت سلول‌ها ضروری است.»

آزمایش در عمل: اولین قدم‌ ها برای آموزش یک کامپیوتر زنده

در آزمایشگاه، دکتر فلورا بروزی، زیست‌شناس سلولی FinalSpark، ظرفی حاوی چندین گوی سفید کوچک به من داد. هر کره کوچک اساساً یک مغز مینیاتوری آزمایشگاهی است که از سلول‌های بنیادی زنده ساخته شده و برای تبدیل شدن به خوشه‌هایی از نورون‌ها و سلول‌های پشتیبان کشت داده شده‌اند؛ این‌ها همان «ارگانوئیدها» هستند. آن‌ها به هیچ وجه به پیچیدگی مغز انسان نزدیک نیستند، اما بلوک‌های سازنده یکسانی دارند.

پس از طی فرآیندی که می‌تواند چندین ماه طول بکشد، ارگانوئیدها آماده اتصال به یک الکترود و سپس تحریک برای پاسخ به دستورات ساده کیبورد می‌شوند. این وسیله‌ای برای ارسال و دریافت سیگنال‌های الکتریکی است و نتایج روی یک کامپیوتر معمولی متصل به سیستم ثبت می‌شود. این یک آزمایش ساده است: شما یک کلید را فشار می‌دهید که یک سیگنال الکتریکی را از طریق الکترودها ارسال می‌کند، و اگر کار کند (همیشه کار نمی‌کند) می‌توانید جهش کوچکی از فعالیت را روی صفحه در پاسخ مشاهده کنید. آنچه نمایش داده می‌شود یک نمودار متحرک است که کمی شبیه نوار مغزی (EEG) به نظر می‌رسد.

من کلید را چند بار پشت سر هم فشار می‌دهم و پاسخ‌ها ناگهان متوقف می‌شوند. سپس یک انفجار کوتاه و متمایز از انرژی روی نمودار ظاهر می‌شود. وقتی پرسیدم چه اتفاقی افتاد، دکتر جردن گفت چیزهای زیادی وجود دارد که آن‌ها هنوز در مورد کاری که ارگانوئیدها انجام می‌دهند و چرایی آن نمی‌دانند. شاید من آن‌ها را عصبانی کردم.

تحریک‌های الکتریکی اولین قدم‌های مهم به سوی هدف بزرگتر تیم یعنی راه‌اندازی یادگیری در نورون‌های کامپیوتر زیستی است تا در نهایت بتوانند برای انجام وظایف سازگار شوند. او توضیح می‌دهد: «برای هوش مصنوعی، همیشه همین‌طور است. شما ورودی‌ای می‌دهید و خروجی‌ای می‌خواهید که استفاده شود. برای مثال، شما تصویری از یک گربه می‌دهید و می‌خواهید خروجی بگوید آیا این یک گربه است یا نه.»

چالش زنده نگه داشتن کامپیوترهای زیستی

روشن نگه داشتن یک کامپیوتر معمولی ساده است – فقط به منبع تغذیه نیاز دارد – اما در مورد کامپیوترهای زیستی چه اتفاقی می‌افتد؟ این سؤالی است که دانشمندان هنوز پاسخی برای آن ندارند. سایمون شولتز، استاد نوروتکنولوژی و مدیر مرکز نوروتکنولوژی در امپریال کالج لندن می‌گوید: «ارگانوئیدها رگ‌های خونی ندارند. مغز انسان رگ‌های خونی دارد که در مقیاس‌های مختلف در سراسر آن نفوذ کرده و مواد مغذی را برای عملکرد خوب آن فراهم می‌کنند. ما هنوز نمی‌دانیم چگونه آن‌ها را به درستی بسازیم. بنابراین این بزرگترین چالش مداوم است.»

مرگ «Wetware»: مشاهدات عجیب در پایان عمر ارگانوئیدها

اما یک چیز قطعی است. وقتی در مورد از کار افتادن یک کامپیوتر صحبت می‌کنیم، در مورد «Wetware» این موضوع به معنای واقعی کلمه اتفاق می‌افتد. FinalSpark در چهار سال گذشته پیشرفت‌هایی داشته است: ارگانوئیدهای آن‌ها اکنون می‌توانند تا چهار ماه زنده بمانند. اما یافته‌های عجیبی در ارتباط با مرگ نهایی آن‌ها وجود دارد.

گاهی اوقات آن‌ها قبل از مرگ، طوفانی از فعالیت را از ارگانوئیدها مشاهده می‌کنند – شبیه به افزایش ضربان قلب و فعالیت مغزی که در برخی انسان‌ها در پایان عمر مشاهده شده است. دکتر جردن می‌گوید: «چند مورد وجود داشته که در دقایق یا ده‌ها ثانیه آخر [زندگی]، افزایش بسیار سریعی در فعالیت داشته‌ایم. فکر می‌کنم در پنج سال گذشته حدود ۱۰۰۰ یا ۲۰۰۰ از این مرگ‌های فردی را ثبت کرده‌ایم.» او می‌گوید: «این غم‌انگیز است زیرا ما باید آزمایش را متوقف کنیم، دلیل مرگ را بفهمیم و سپس دوباره آن را انجام دهیم.»

پروفسور شولتز با این رویکرد غیر احساسی موافق است: «ما نباید از آن‌ها بترسیم، آن‌ها فقط کامپیوترهایی هستند که از یک بستر متفاوت از یک ماده متفاوت ساخته شده‌اند.»

کاربردهای دنیای واقعی: از بازی پونگ تا درمان آلزایمر

FinalSpark تنها دانشمندانی نیستند که در فضای رایانش زیستی کار می‌کنند. شرکت استرالیایی Cortical Labs در سال ۲۰۲۲ اعلام کرد که موفق شده نورون‌های مصنوعی را وادار به بازی کامپیوتری اولیه پونگ کند. در ایالات متحده، محققان دانشگاه جانز هاپکینز نیز در حال ساخت «مغزهای مینیاتوری» برای مطالعه نحوه پردازش اطلاعات هستند – اما در زمینه توسعه دارو برای بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر و اوتیسم. امید است که هوش مصنوعی به زودی بتواند این نوع کارها را به شدت تسریع کند.

اما در حال حاضر، دکتر لنا اسمیرنوا، که رهبری تحقیقات در دانشگاه جانز هاپکینز را بر عهده دارد، معتقد است که Wetware از نظر علمی هیجان‌انگیز است – اما در مراحل اولیه قرار دارد. و او گفت که چشم‌انداز کمی برای جایگزینی آن با ماده اصلی که در حال حاضر برای تراشه‌های کامپیوتری استفاده می‌شود، وجود دارد. او گفت: «رایانش زیستی باید هوش مصنوعی سیلیکونی را تکمیل کند – نه جایگزین – و در عین حال مدل‌سازی بیماری‌ها را پیش ببرد و استفاده از حیوانات را کاهش دهد.» پروفسور شولتز موافق است: «من فکر می‌کنم آن‌ها در بسیاری از موارد قادر به رقابت با سیلیکون نخواهند بود، اما جایگاه ویژه‌ای پیدا خواهند کرد.»

وقتی داستان علمی-تخیلی به واقعیت می‌ پیوندد

با این حال، حتی با نزدیک‌تر شدن این فناوری به کاربردهای دنیای واقعی، دکتر جردن هنوز مجذوب ریشه‌های علمی-تخیلی آن است. او می‌گوید: «من همیشه طرفدار داستان‌های علمی-تخیلی بوده‌ام. وقتی یک فیلم یا کتاب علمی-تخیلی می‌دیدم، همیشه کمی غمگین می‌شدم زیرا زندگی من شبیه کتاب نبود. حالا احساس می‌کنم در کتاب هستم و در حال نوشتن کتابم.»</-p>