نسل تازه‌ای از کامپیوترهای زیستی؛ تبدیل سلول‌های مغزی انسان به کامپیوتر

دانشمندان در حال توسعه نسل تازه‌ای از کامپیوترهای زیستی هستند که به‌جای تراشه‌های سیلیکونی از سلول‌های زنده مغز انسان استفاده می‌کنند.

به گزارش سرویس فناوری تک‌ناک، این فناوری‌ شاید شبیه داستان‌های علمی‌-تخیلی به‌نظر برسد، اما پژوهش‌ها نشان می‌دهد که می‌تواند در آینده نزدیک به واقعیت تبدیل شود.

در این رویکرد، یک کامپیوتر زیستی، سامانه‌ای است که از مواد زیستی مانند DNA، پروتئین‌ها یا حتی بافت زنده، از جمله نورون‌های پرورش‌داده‌شده در آزمایشگاه برای انجام محاسبات استفاده می‌کند. روند ساخت چنین سیستم‌هایی با پرورش نورون‌ها آغاز می‌شود؛ سپس این سلول‌ها به خوشه‌های بسیار کوچکی به نام ارگانوئید تبدیل می‌شوند و پژوهشگران آنها را به الکترودها متصل می‌کنند تا مانند رایانه‌های مینیاتوری عمل کنند. نکته مهم اینجا است که کامپیوترهای زیستی انرژی بسیار کمتری نسبت به رایانه‌های معمولی مصرف می‌کنند.

با وجود این پیشرفت‌ها، این فناوری هنوز در مراحل بسیار اولیه قرار دارد و توانایی آن فعلاً به انجام فعالیت‌های ساده محدود است.

برای نمونه، شرکت استرالیایی Cortical Labs در سال 2022 توانست نورون‌های مصنوعی را به گونه‌ای آموزش دهد که بازی رایانه‌ای کلاسیک Pong را انجام دهند. نمونه‌ای دیگر Brainoware است؛ سامانه‌ای که سلول‌های زنده مغز را به رایانه متصل می‌کند تا بتواند شکل ابتدایی تشخیص گفتار را انجام دهد.

بیشتر بخوانید: معرفی رایانه زیستی CL1 با ۸۰۰ هزار نورون انسانی در آلمان 

پیشرفتی مهم‌تر در ماه اوت منتشر شد؛ پژوهشگران دانشگاه بریستول اعلام کردند که توانسته‌اند از ارگانوئیدهای مغزی حاوی نورون‌های انسانی برای تشخیص حروف بریل استفاده کنند؛ دستاوردی که نشان می‌دهد این ساختارهای سلولی توانایی یادگیری رفتارهای پردازشی پیچیده‌تری را دارند. در حال حاضر، هدف بسیاری از آزمایشگاه‌های دانشگاهی و شرکت‌های فعال در این حوزه، این است که نورون‌های انسانی را به سامانه‌هایی تبدیل کنند که عملکردی مشابه ترانزیستورهای زیستی داشته باشند؛ واحدهای پایه‌ای که می‌توانند مسیر ساخت رایانه‌هایی مبتنی بر سلول‌های زنده را هموار کنند.

کارشناسان برای این کار، توان پردازشی شگفت‌انگیز مغز انسان را هدف قرار داده‌اند و تلاش می‌کنند بهره‌وری انرژی آن را بازآفرینی کنند؛ مغزی که با مصرف کمتر از ۲۰ وات، معادل یک میلیارد عملیات ریاضی در هر ثانیه را انجام می‌دهد. در مقابل، قدرتمندترین ابررایانه‌ها، هرچند توان پردازشی مشابهی ارائه می‌دهند، اما به انرژی‌ حدود یک میلیون برابر بیشتر نیاز دارند.

در مقاله منتشرشده در Conversation، برام سرویس، دانشجوی دکتری مهندسی زیست‌پزشکی در دانشگاه ملبورن نوشت که بنیان‌های کامپیوترهای زیستی نزدیک به ۵۰ سال پیش شکل گرفت. عصب‌پژوهان، نورون‌ها را روی آرایه‌های الکترودی بسیار کوچک پرورش دادند تا الگوهای شلیک عصبی را مطالعه کنند. تا اوایل دهه ۲۰۰۰، ارتباط دوسویه ابتدایی میان نورون‌ها و الکترودها، ایده رایانش زیستی-ترکیبی را شکل داد، اما پیشرفت این حوزه کند بود تا اینکه در سال ۲۰۱۳، نقطه عطف «ارگانوئیدهای مغزی» رخ داد. این ارگانوئیدها ساختارهای سه‌بعدی شبیه مغز بودند که از سلول‌های بنیادی رشد یافته بودند.

امروزه پژوهشگران طبق رویه استاندارد از ارگانوئیدها استفاده می‌کنند و آنها را اغلب با فناوری «اندام روی تراشه» ادغام می‌نمایند؛ فناوری‌ که برای آزمون دارو و مطالعه فرایندهای رشد به کار می‌رود.

برای مطالعه بیشتر: ساخت کامپیوترهایی با قدرت مغزهای کوچک انسان در سوئیس + تصویر

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، چالش‌های اخلاقی در حوزه کامپیوترهای زیستی هر روز برجسته‌تر می‌شود. این حوزه از سال ۲۰۲۲ -زمانی که Cortical Labs نشان داد نورون‌های کشت‌شده می‌توانند بازی Pong را یاد بگیرند- در مرکز توجه قرار گرفت. این پروژه به‌جای یافته‌های علمی، بیشتر به‌دلیل استفاده از اصطلاح بحث‌برانگیز “embodied sentience” جنجال به‌پا کرد.

پس از آن، پژوهشگران اصطلاح “organoid intelligence” را پیشنهاد کردند؛ عبارتی جذاب که با وجود تفاوت‌های اساسی، ممکن است به‌اشتباه این حس را ایجاد کند که این ساختارهای زیستی مشابه هوش مصنوعی پیشرفته هستند.

مشکل اصلی اینجا است که چارچوب‌های اخلاقی موجود، ارگانوئیدها را فقط ابزارهای آزمایشگاهی می‌دانند، در حالی که سرعت پیشرفت و تجاری‌سازی آنها به حدی بالا است که نیاز فوری به دستورالعمل‌های اخلاقی جدید احساس می‌شود. در مقاله آمده است که با وجود ظهور رفتارهای شبکه‌ای پیچیده در این ساختارهای عصبی، کارشناسان به‌طور گسترده معتقد هستند که ارگانوئیدهای فعلی فاقد آگاهی هستند و فاصله زیادی تا آن دارند.

بیشتر بخوانید: دانشمندان قصد دارند باکتری‌ها را به رایانه‌های زنده تبدیل کنند

اکنون شرکت‌ها و دانشگاه‌های مختلف در آمریکا، سوئیس، چین و استرالیا مشغول ساخت پلتفرم‌های biohybrid هستند. شرکت‌هایی مانند FinalSpark که امکان کار از راه دور با ارگانوئید را فراهم می‌کند، یا Cortical Labs که کامپیوتر زیستی رومیزی CL1 را عرضه کرده است، انتظار دارند که مشتریانی فراتر از صنعت داروسازی از جمله پژوهشگران هوش مصنوعی داشته باشند.

در دانشگاه‌ها نیز اهداف جاه‌طلبانه‌ای مطرح شده است. برای مثال دانشگاه سن‌دیگو پیشنهاد داده است که از ارگانوئیدها برای پیش‌بینی نشت نفت آمازون تا سال ۲۰۲۸ استفاده شود. در کل، مهم‌ترین اولویت‌های فعلی این حوزه شامل پیشرفت پیوسته فناوری، تولیدپذیری قابل‌اتکا و توسعه سامانه‌ها در مقیاس بزرگ است.

گروه‌های پژوهشی بسیاری نیز در حال بررسی ارگانوئیدها به‌عنوان جایگزینی برای مدل‌های حیوانی در تحقیقات علوم اعصاب و سم‌شناسی هستند. یک الگوی کاربردی برای بررسی اثر مواد شیمیایی بر رشد اولیه مغز ارائه شده است. همچنین ترکیب نورون‌ها با سامانه‌های الکترونیکی نشان داده است که می‌تواند فعالیت‌های مغزی مرتبط با صرع را با دقت بیشتری پیش‌بینی کند.