يمكن لكرة من خلايا الدماغ الموجودة على شريحة أن تتعلم التعرف البسيط على الكلام والرياضيات

هناك كرة صغيرة من خلايا الدماغ تطن بالنشاط وهي موضوعة فوق مجموعة من الأقطاب الكهربائية. ويتلقى لمدة يومين نمطًا من الصعقات الكهربائية، حيث يقوم كل تحفيز بتشفير خصائص الكلام لثمانية أشخاص. بحلول اليوم الثالث، يمكنه التمييز بين المتحدثين.

يرفع النظام، الذي يطلق عليه اسم Brainoware، مستوى الحوسبة الحيوية من خلال الاستفادة من عضويات الدماغ ثلاثية الأبعاد، أو "الأدمغة الصغيرة". هذه النماذج، التي يتم تنميتها عادة من الخلايا الجذعية البشرية، تتوسع بسرعة لتشمل مجموعة متنوعة من الخلايا العصبية المرتبطة بالشبكات العصبية.

مثل نظيراتها البيولوجية، تشتعل النقطات بنشاط كهربائي، مما يشير إلى أن لديها القدرة على تعلم المعلومات وتخزينها ومعالجتها. لقد نظر العلماء إليها منذ فترة طويلة باعتبارها مكونًا واعدًا للأجهزة للحوسبة المستوحاة من الدماغ.

هذا الأسبوع، فريق في جامعة إنديانا بلومنجتون حولت النظرية إلى واقع باستخدام برنامج Brainoware. لقد قاموا بتوصيل عضوي دماغي يشبه القشرة - الطبقة الخارجية من الدماغ التي تدعم الوظائف الإدراكية العليا - بشريحة تشبه الرقاقة مليئة بالأقطاب الكهربائية.

يعمل الدماغ المصغر مثل وحدة المعالجة المركزية وتخزين الذاكرة للكمبيوتر العملاق. لقد تلقى مدخلات على شكل صاعقات كهربائية وأخرج حساباته من خلال النشاط العصبي، والذي تم فك شفرته لاحقًا بواسطة أداة الذكاء الاصطناعي.

عندما تم تدريبه على مقاطع صوتية من مجموعة من الأشخاص - وتحولها إلى صعقات كهربائية - تعلم برنامج Brainware في النهاية انتقاء "أصوات" أشخاص محددين. وفي اختبار آخر، نجح النظام في معالجة مشكلة رياضية معقدة تمثل تحديًا للذكاء الاصطناعي.

تنبع قدرة النظام على التعلم من التغيرات التي طرأت على اتصالات الشبكة العصبية في الدماغ الصغير، وهو ما يشبه الطريقة التي تتعلم بها أدمغتنا كل يوم. على الرغم من أنه مجرد خطوة أولى، إلا أن برنامج Brainoware يمهد الطريق لأجهزة الكمبيوتر الحيوية الهجينة المتطورة بشكل متزايد والتي يمكنها خفض تكاليف الطاقة وتسريع العمليات الحسابية.

يسمح الإعداد أيضًا لعلماء الأعصاب بكشف المزيد عن الأعمال الداخلية لأدمغتنا.

"بينما يحاول علماء الكمبيوتر بناء أجهزة كمبيوتر تشبه السيليكون، يحاول علماء الأعصاب فهم حسابات مزارع خلايا الدماغ". كتب الدكاترة. لينا سميرنوفا، وبريان كافو، وإريك سي جونسون في جامعة جونز هوبكنز الذين لم يشاركوا في الدراسة. يمكن لـ Brainoware أن يقدم رؤى جديدة حول كيفية تعلمنا، وكيفية تطور الدماغ، وحتى المساعدة في اختبار علاجات جديدة عندما يتعثر الدماغ.

تطور في الحوسبة العصبية

مع وجود 200 مليار خلية عصبية متصلة بمئات التريليونات من الوصلات، ربما يكون الدماغ البشري أقوى أجهزة الحوسبة المعروفة.

يختلف إعداده بطبيعته عن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، التي تحتوي على وحدات منفصلة لمعالجة البيانات وتخزينها. وتتطلب كل مهمة نقل بيانات الكمبيوتر بين الاثنين، مما يزيد بشكل كبير من وقت الحوسبة وطاقتها. وفي المقابل، تتحد كلتا الوظيفتين في نفس البقعة المادية في الدماغ.

تسمى هذه الهياكل بالمشابك العصبية، وهي تربط الخلايا العصبية بالشبكات. تتعلم نقاط الاشتباك العصبي عن طريق تغيير مدى قوة تواصلها مع الآخرين، مما يزيد من قوة الاتصال مع المتعاونين الذين يساعدون في حل المشكلات وتخزين المعرفة في نفس المكان.

قد تبدو العملية مألوفة. الشبكات العصبية الاصطناعية، وهي أحد أساليب الذكاء الاصطناعي التي أحدثت ثورة في العالم، تعتمد بشكل فضفاض على هذه المبادئ. لكن الطاقة اللازمة مختلفة إلى حد كبير. يعمل الدماغ بقوة 20 واط، وهي تقريبًا الطاقة اللازمة لتشغيل مروحة صغيرة لسطح المكتب. تستهلك الشبكة العصبية الاصطناعية المقارنة ثمانية ملايين واط. يمكن للدماغ أيضًا أن يتعلم بسهولة من بعض الأمثلة، في حين يعتمد الذكاء الاصطناعي على مجموعات ضخمة من البيانات.

لقد حاول العلماء تلخيص خصائص المعالجة في الدماغ في رقائق الأجهزة. تم بناء هذه الرقائق العصبية من مكونات غريبة تتغير خصائصها مع درجة الحرارة أو الكهرباء، وتجمع بين المعالجة والتخزين في نفس الموقع. يمكن لهذه الرقائق تشغيل رؤية الكمبيوتر والتعرف على الكلام. لكن من الصعب تصنيعها ولا تلتقط الأعمال الداخلية للدماغ إلا بشكل جزئي.

بدلاً من محاكاة الدماغ برقائق الكمبيوتر، لماذا لا نستخدم مكوناته البيولوجية فقط؟

كمبيوتر ذكي

كن مطمئنًا، فإن الفريق لم يربط الأدمغة الحية بالأقطاب الكهربائية. وبدلاً من ذلك، تحولوا إلى عضويات الدماغ. وفي شهرين فقط، تطورت الأدمغة الصغيرة، المصنوعة من الخلايا الجذعية البشرية، إلى مجموعة من أنواع الخلايا العصبية التي ترتبط ببعضها البعض في شبكات نشطة كهربائيا.

قام الفريق بإسقاط كل دماغ صغير بعناية على شريحة تشبه الختم ومليئة بأقطاب كهربائية صغيرة. يمكن للرقاقة أن تسجل إشارات خلايا الدماغ من أكثر من 1,000 قناة وتطلق الأعضاء باستخدام ما يقرب من ثلاثين أقطابًا كهربائية في نفس الوقت. وهذا يجعل من الممكن التحكم بدقة في التحفيز وتسجيل نشاط الدماغ الصغير. باستخدام أداة الذكاء الاصطناعي، تتم ترجمة المخرجات العصبية المجردة إلى استجابات صديقة للإنسان على جهاز كمبيوتر عادي.

وفي اختبار التعرف على الكلام، سجل الفريق 240 مقطعًا صوتيًا لثمانية أشخاص يتحدثون. يلتقط كل مقطع حرفًا متحركًا معزولًا. لقد حولوا مجموعة البيانات إلى أنماط فريدة من التحفيز الكهربائي وأدخلوها إلى دماغ صغير نما حديثًا. وفي غضون يومين فقط، تمكن نظام Brainoware من التمييز بين مكبرات الصوت المختلفة بدقة تصل إلى 8 بالمائة تقريبًا.

وباستخدام مقياس شائع في علم الأعصاب، وجد الفريق أن الصعقات الكهربائية "دربت" الدماغ الصغير لتقوية بعض الشبكات بينما تقليم شبكات أخرى، مما يشير إلى أنه قام بإعادة توصيل شبكاته لتسهيل التعلم.

وفي اختبار آخر، تم وضع Brainoware في مواجهة الذكاء الاصطناعي في مهمة رياضية صعبة يمكن أن تساعد في إنشاء كلمات مرور أقوى. على الرغم من أنه أقل دقة قليلاً من الذكاء الاصطناعي ذو الذاكرة قصيرة المدى، إلا أن برنامج Brainoware كان أسرع بكثير. وبدون إشراف بشري، وصلت إلى نتائج متوافقة تقريبًا في أقل من 10 بالمائة من الوقت الذي استغرقه الذكاء الاصطناعي.

"هذا هو العرض الأول لاستخدام عضويات الدماغ [في الحوسبة]،" مؤلف الدراسة الدكتور فنغ جو قال معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تكنولوجي ريفيو.

كمبيوتر سايبورغ؟

الدراسة الجديدة هي الأحدث التي تستكشف الحواسيب الحيوية الهجينة، وهي مزيج من الخلايا العصبية والذكاء الاصطناعي والإلكترونيات.

مرة أخرى في 2020، فريق دمج الخلايا العصبية الاصطناعية والبيولوجية في شبكة تتواصل باستخدام مادة الدوبامين الكيميائية في الدماغ. وفي الآونة الأخيرة، وتعلم ما يقرب من مليون خلية عصبية، مستلقية في طبق، أن تلعب لعبة الفيديو بونج من خلال الصعقات الكهربائية.

Brainoware هو خطوة محتملة للأعلى. بالمقارنة مع الخلايا العصبية المعزولة، تحاكي العضيات الدماغ البشري وشبكاته العصبية المتطورة بشكل أفضل. لكنهم لا يخلو من العيوب. وعلى غرار خوارزميات التعلم العميق، فإن العمليات الداخلية للأدمغة الصغيرة غير واضحة، مما يجعل من الصعب فك تشفير "الصندوق الأسود" لكيفية حسابها ومدة احتفاظها بالذكريات.

ثم هناك مشكلة "wetlab". على عكس معالج الكمبيوتر، لا تستطيع الأدمغة الصغيرة تحمل سوى نطاق ضيق من درجات الحرارة ومستويات الأكسجين، في حين أنها معرضة باستمرار لخطر العدوى الميكروبية المسببة للأمراض. وهذا يعني أنه يجب زراعتها بعناية داخل مرق مغذي باستخدام معدات متخصصة. إن الطاقة اللازمة للحفاظ على هذه الثقافات قد تعوض المكاسب من نظام الحوسبة الهجين.

ومع ذلك، أصبحت زراعة الأدمغة الصغيرة أسهل على نحو متزايد باستخدام أنظمة أصغر حجمًا وأكثر كفاءة، بما في ذلك تلك التي تحتوي على وظائف التسجيل والانطلاق المدمجة. السؤال الأصعب لا يتعلق بالتحديات التقنية؛ بل يتعلق الأمر بما هو مقبول عند استخدام العقول البشرية كعنصر حاسوبي. إن الذكاء الاصطناعي وعلم الأعصاب يتخطىان الحدود بسرعة، ومن المرجح أن تصبح نماذج الذكاء الاصطناعي الدماغي أكثر تطوراً.

كتب سميرنوفا وكافو وجونسون: "من الأهمية بمكان أن يقوم المجتمع بفحص عدد لا يحصى من القضايا الأخلاقية العصبية التي تحيط بأنظمة الحوسبة الحيوية التي تتضمن الأنسجة العصبية البشرية".

الصورة الائتمان: عضوي دماغي متطور / المعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية، المعاهد الوطنية للصحة

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://singularityhub.com/2023/12/14/a-ball-of-brain-cells-on-a-chip-can-learn-simple-speech-recognition-and-math/