حقق فريق من المهندسين في جامعة نورث وسترن مؤخرًا إنجازًا كبيرًا من خلال تطوير خلايا عصبية صناعية مطبوعة يمكنها التفاعل مباشرة مع خلايا الدماغ الحقيقية. هذه الأجهزة ليست فقط ناعمة ومرنة ورخيصة الثمن في التصنيع، ولكنها يمكنها أيضًا إنتاج إشارات كهربائية تشبه إلى حد كبير الخلايا العصبية الحية. وفي الاختبارات المعملية التي استخدمت شرائح من أنسجة دماغ الفأر، نجحت الخلايا العصبية الاصطناعية في تحفيز خلايا عصبية حقيقية وأثارت استجابات قابلة للقياس. يوضح هذا الإنجاز مستوى غير مسبوق من التوافق بين الأنظمة الإلكترونية والشبكات العصبية البيولوجية.
يفتح هذا البحث مجالات مهمة للأجهزة الإلكترونية القادرة على التواصل مع الجهاز العصبي. ومن المتوقع أن تدعم هذه التكنولوجيا تطوير واجهات الدماغ والحاسوب والأجهزة التعويضية العصبية، بما في ذلك الغرسات المصممة لاستعادة السمع أو الرؤية أو الحركة. وفي الوقت نفسه، تشير النتائج أيضًا إلى مستقبل حوسبة أكثر كفاءة. ومن خلال تكرار الطريقة التي ترسل بها الخلايا العصبية الإشارات - وهي سمة أساسية للدماغ باعتباره أكثر أنظمة الحوسبة المعروفة كفاءة في استخدام الطاقة - ستتمكن أجهزة الجيل التالي من التعامل مع المهام المعقدة باستخدام طاقة أقل بكثير من الأنظمة الحالية.
نُشر البحث في مجلة Nature Nanotechnology في 15 أبريل. "إن العالم الذي نعيش فيه اليوم يهيمن عليه الذكاء الاصطناعي. ولجعل الذكاء الاصطناعي أكثر ذكاءً، تحتاج إلى تدريبه باستخدام المزيد والمزيد من البيانات. وهذا التدريب المكثف على البيانات يؤدي إلى مشاكل هائلة في استهلاك الطاقة. لذلك، يجب علينا تطوير أجهزة أكثر كفاءة لمعالجة البيانات الكبيرة والذكاء الاصطناعي. وبما أن الدماغ أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بخمس مرات من أجهزة الكمبيوتر الرقمية، فمن المعقول أن ننظر إلى الدماغ للحصول على الإلهام للجيل القادم من الحوسبة."
ومع نمو احتياجات الحوسبة، تستجيب الأنظمة التقليدية لهذه التحديات عن طريق إضافة المزيد من نفس المكونات. تحتوي الرقائق الحديثة على مليارات الترانزستورات مرتبة على قطعة صلبة ومسطحة من السيليكون، حيث يؤدي كل عنصر نفس الوظيفة. بمجرد تصنيع هذه الأنظمة، لا يمكن تغييرها. يعمل الدماغ بشكل مختلف تمامًا. وتتكون من أنواع متعددة من الخلايا العصبية، لكل منها أدوار متخصصة، منظمة في شبكة ناعمة ثلاثية الأبعاد. تتكيف هذه الشبكات باستمرار، وتشكل اتصالات جديدة وتعيد تشكيل الاتصالات الموجودة أثناء حدوث التعلم. وأوضح حسام أن "السيليكون يحقق التعقيد من خلال وجود مليارات الأجهزة المتماثلة. كل شيء يصبح متطابقًا وصلبًا وثابتًا بمجرد تصنيعه. والدماغ هو العكس. فهو غير متجانس وديناميكي وثلاثي الأبعاد. وللتحرك في هذا الاتجاه، نحتاج إلى مواد جديدة وطرق جديدة لبناء الإلكترونيات".
على الرغم من أن الخلايا العصبية الاصطناعية قد تم إنشاؤها من قبل، إلا أن معظمها أنتج إشارات بسيطة للغاية. لتوليد سلوكيات أكثر تعقيدًا، يعتمد المهندسون غالبًا على شبكات كبيرة، مما يزيد من استهلاك الطاقة. ولمطابقة سلوك الخلايا العصبية الحقيقية بشكل أفضل، صمم الباحثون أجهزتهم باستخدام مواد ناعمة قابلة للطباعة. لقد ابتكروا أحبارًا إلكترونية متخصصة من صفائح ثاني كبريتيد الموليبدينوم، وهي مادة تعمل بمثابة شبه موصل بينما يعمل الجرافين كموصل. يتم ترسيب هذه الأحبار على أسطح بوليمر مرنة باستخدام طريقة تسمى طباعة الهباء الجوي.
في السابق، كان عنصر البوليمر الموجود في هذه الأحبار يعتبر من العيوب لأنه يتداخل مع التدفق الكهربائي، لذلك يتم إزالته عادة بعد الطباعة. وفي هذه الحالة، استفاد فريق البحث من هذه الميزة. وقال الباحثون: "بدلاً من إزالة البوليمر بالكامل، نقوم بتكسيره جزئياً". "بعد ذلك، عندما نمرر تيارًا كهربائيًا عبر الجهاز، فإننا نزيد من انهيار البوليمر. ويحدث هذا الانهيار بطريقة مكانية غير منتظمة، مما يؤدي إلى تكوين خيوط موصلة بحيث يقتصر تدفق التيار بالكامل على منطقة ضيقة في الفضاء." يخلق هذا المسار الموصل الضيق استجابة كهربائية مفاجئة مشابهة لتحفيز الخلايا العصبية. ونتيجة لذلك، يمكن للخلايا العصبية الاصطناعية إنتاج مجموعة واسعة من الإشارات، بما في ذلك الإشارات المفردة، والإطلاق الثابت، وأنماط الانفجارات، مما يحاكي النشاط العصبي الحقيقي عن كثب. ونظرًا لأن كل جهاز يمكنه التعامل مع إشارات أكثر تعقيدًا، فإن هناك حاجة إلى عدد أقل من المكونات بشكل عام، مما قد يؤدي إلى تحسين كفاءة أنظمة الحوسبة المستقبلية بشكل كبير.
ولتحديد ما إذا كانت هذه الخلايا العصبية الاصطناعية يمكنها التفاعل مع الأنظمة البيولوجية الحقيقية، تعاون فريق البحث مع إنديرا رامان، أستاذة علم الأحياء العصبية في مدرسة واينبرغ. طبق فريقها إشارات اصطناعية على شرائح من مخيخ الفأر. وأظهرت النتائج أن هذه المسامير الكهربائية تطابق السمات الرئيسية للنشاط العصبي الطبيعي، بما في ذلك التوقيت والمدة. تعمل هذه الإشارات على تنشيط الخلايا العصبية الحقيقية بشكل موثوق وتحفز الدوائر العصبية بطريقة مشابهة لإشارات الدماغ الطبيعية. وقال حسام: "لقد حاولت مختبرات أخرى صنع خلايا عصبية صناعية من مواد عضوية، لكنها تنشط ببطء شديد". "أو يستخدمون أكاسيد معدنية، وهي سريعة جدًا. نحن نسير على مقياس زمني لم يتم إثباته في الخلايا العصبية الاصطناعية من قبل. يمكنك رؤية الخلايا العصبية الحية تستجيب لخلايانا العصبية الاصطناعية. لذلك أظهرنا إشارات ليس لها مقياس زمني صحيح فحسب، بل لها أيضًا شكل السنبلة الصحيح، يمكنها التفاعل مباشرة مع الخلايا العصبية الحية."
ويقدم هذا النهج الجديد أيضًا مزايا بيئية وعملية. عملية التصنيع بسيطة وفعالة من حيث التكلفة، وتستخدم طريقة الطباعة المضافة المواد بكفاءة وتقلل من النفايات عن طريق وضعها فقط عند الحاجة إليها. ومع استمرار توسع أنظمة الذكاء الاصطناعي، فإن تحسين كفاءة الطاقة أمر مهم بشكل خاص. تستهلك مراكز البيانات الكبيرة بالفعل كميات كبيرة من الكهرباء وتتطلب كميات كبيرة من المياه للتبريد. وأشار حسام إلى أنه "لتلبية احتياجات الذكاء الاصطناعي من الطاقة، تقوم شركات التكنولوجيا ببناء مراكز بيانات بحجم جيجاوات مدعومة بمحطات طاقة نووية مخصصة". "من الواضح أن هذا الاستهلاك الضخم للطاقة سيحد من التوسع الإضافي في الحوسبة، لأنه من الصعب تخيل أن الجيل القادم من مراكز البيانات سيتطلب 100 محطة للطاقة النووية. والمشكلة الأخرى هي أنه عندما تبدد جيجاوات من الطاقة، فإنك تولد الكثير من الحرارة. ولأن مراكز البيانات يتم تبريدها بالماء، فإن الذكاء الاصطناعي يضع ضغطًا شديدًا على إمدادات المياه. وبغض النظر عن الطريقة التي تنظر بها إلى الأمر، نحن بحاجة إلى تطوير المزيد من الأجهزة الموفرة للطاقة للذكاء الاصطناعي".
تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم.