انقلاب در زیست‌شناسی با کشف مدل هوش سلولی جدید

کشف مدل هوش سلولی جدیدی نشان می‌دهد که سلول‌ها قابلیت‌های حل مسئله را از طریق سیگنال‌های بیوالکتریکی دارند، که این فراتر از مکانیزم‌های سنتی ژنتیکی است.

به گزارش تک‌ناک، مایکل لوین از دانشگاه تافتس، نشان می‌دهد که چگونه این فرآیندها می‌توانند در طراحی داروهای جدید و روش‌های درمانی که بر بازسازی و ترمیم بدن متمرکز هستند، مورد استفاده قرار گیرند.

وی بیان کرد: وقتی بچه قورباغه به قورباغه تبدیل می‌شود، باید چهره‌اش را تغییر دهد. چشم‌ها، سوراخ‌های بینی، آرواره‌ها، همه چیز او باید تغییر کند.

به گفتۀ او اگر یک قورباغۀ پیکاسو که قورباغه‌هایی با آرواره‌های به طرفین، چشم‌های رو به بالا و سوراخ‌های بینی‌ متحرک هستند و در واقع تمام اجزای صورت آنها نسبت به قورباغۀ عادی جابه‌جا شده است را در نظر بگیرید، باز هم آنها شبیه به قورباغه‌های عادی هستند. شگفت‌انگیز است که تمام اندام‌های این قورباغه در موقعیت‌های غیرطبیعی شروع می‌شود، امّا با  وجود این چهرۀ آنها کاملاً به شکل یک قورباغه در‌می‌آید.

ذکر این نکته ضروری است که قورباغه‌های پیکاسو با ویژگی‌های درهم‌آمیزی صورت، با موفقیت خود را به قورباغه‌هایی با ظاهری عادی بازآرایی می‌کنند و نوعی انعطاف‌پذیر از هوش حل مسئله را در مقابل مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های رشد مبتنی بر DNA نشان می‌دهند.

لوین گفت: بنابراین این سیستم مانند بسیاری از سیستم‌های زنده، مجموعه‌ای از حرکات مادرزادی نیست و در واقع برای کاهش خطا بین آنچه اکنون در حال وقوع است و آنچه که یک پیکربندی صحیح برای چهرۀ قورباغه است، کار می‌کند. این نوع تصمیم‌گیری که شامل پاسخ‌های انعطاف‌پذیر به شرایط جدید در شرایط دیگر است را هوشمندی می‌نامیم.

بنابراین اگر DNA از طریق سیگنال‌های بیوشیمیایی با این سلول‌ها ارتباط برقرار نمی‌کند، پس چگونه این سلول‌ها می‌دانند کجا هستند و چه کاری باید انجام دهند؟

بیوالکتریک فقط برای سلول‌های عصبی نیست

لوین عنوان کرد: به طور قطع سلول‌ها از طریق فرآیندهای بیوشیمیایی و نیروهای فیزیکی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. امّا موضوع دیگر بسیار جالبی در حال وقوع است، که بیوالکتریک نامیده می‌شود. امّا باید گفت که تمام سلول‌ها نه فقط اعصاب، با استفاده از سیگنال‌های الکتریکی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

لوین و گروهش شروع به ردیابی این سیگنال‌های الکتریکی در جنین‌های قورباغه کردند و متوجه شدند به محض اینکه سلول‌ها در یک ارگانیسم جدید تقسیم می‌شوند، شروع به تشکیل شبکه‌های الکتریکی می‌کنند. آنها موضوع جدیدی را کشف کردند: DNA به نوعی مانند یک نرم‌افزار نیست که بدن آن را می‌سازد، بلکه بیشتر شبیه سخت‌افزاری است که یک سیستم هوشمند بر روی آن اجرا می‌شود.

لوین در مصاحبۀ دیگری گفت: به نظر من قیاس‌های رایانه‌ای در زیست‌شناسی مفید هستند. موضوعی که ژنوم رمزگذاری می‌کند در واقع یک سخت‌افزار است، به این معنی که به هر سلولی می‌گوید که با چه نوع سخت‌افزار میکروسکوپی باید بازی کند. این سخت‌افزارهای میکروسکوپی پروتئین‌های موجود هستند. هر چه که بعد از آن اتفاق می‌افتد، مانند نرم‌افزار است.

وی ادامه داد: آن سخت‌افزار، قابل برنامه‌ریزی مجدد است. ژنوم به صورت مستقیم شکل شما را مشخص نمی‌کند و محتوای حافظۀ شبکه‌های بدن شما را شکل نمی‌دهد.

لوین عنوان کرد: سلول‌ها شبکه‌های الکتریکی را تشکیل می‌دهند و این شبکه‌ها اطلاعاتی از جمله حافظه‌های الگو را پردازش می‌کنند. آنها شامل نمایش ساختارهای تشریحی در مقیاس بزرگ هستند، جایی که اندام‌های مختلف به آنجا می‌روند و محورهای مختلف حیوان مانند جلو و عقب، سر و دم در آنجا قرار خواهند گرفت.

آزمایش‌های کرم مسطح چند سر

درست مانند هر سیستم محاسباتی دیگری، به نظر می‌رسد این شبکه‌های سلولی بیوالکتریکی را می‌توان هک کرد.

لوین اعلام کرد: می‌توان محرک‌ها یا ورودی‌های شبکۀ سلولی را به روشی که آنها را به یک رایانۀ قابل برنامه‌ریزی مجدد می‌دهیم، منتقل کنیم تا شبکۀ سلولی کاری کاملاً متفاوت انجام دهد. در غیر این صورت، این سیگنال‌های بیوالکتریکی به ما یک نقطۀ ورود مستقیم به نرم‌افزار را می‌دهند که آناتومی در مقیاس بزرگ را هدایت می‌کند.

برای نشان دادن این فرآیند، لوین و گروهش کرم پلاناریا را انتخاب کردند که یک کرم مسطح ساکن آب شیرین با توانایی قابل‌توجهی برای بازسازی کامل اعضای بدن در صورت قطع شدن است. این موجودات دارای مغز کامل، همچنین اندام‌های داخلی متعددی هستند، امّا می‌توان آنها را به قطعات کم و بیش نامحدود خرد کرد و هر قطعه تمام آنچه را که از دست داده است، بازسازی می‌کند تا یک کرم کامل تشکیل شود.

لوین در این زمینه گفت: این سیستمی است که در آن هر قطعه می‌داند که یک پلاناریا کامل چگونه به نظر می‌رسد و می‌تواند اندام‌های مناسب را در مکان‌های مناسب بازسازی کند و سپس متوقف می‌شود.

لوین و گروهش سر و دم این کرم‌های مسطح را بریدند و گرادیان الکتریکی را بین قطعات کنده‌ شدۀ سر و دم اندازه‌گیری کردند و آزمایش‌هایی را انجام دادند تا ببینند آیا دستکاری این گرادیان الکتریکی باعث سردرگمی شبکه‌های سلولی در ساخت قطعات اشتباه می‌شود یا خیر.

لوین تصریح کرد: ما از برق استفاده نمی‌کنیم. کاری که ما انجام می‌دهیم این است که ترانزیستورهای کوچک را روشن و خاموش می‌کنیم. ترانزیستورهای کوچک در واقع پروتئین‌های کانال یونی هستند که هر سلول به‌طور طبیعی از آنها برای تنظیم حالت الکتریکی خود استفاده می‌کند. کرم‌های واقعی را در اینجا می‌بینید که یا دو سر دارند یا بدون سر هستند، چرا که این نقشۀ الکتریکی همان موضوعی است که سلول‌ها برای تصمیم‌گیری در مورد اینکه چه کاری انجام دهند، از آن استفاده می‌کنند.

به گفتۀ وی پس از این مرحله ما یک آزمایش کاملاً دیوانه‌وار انجام دادیم. شما یکی از این کرم‌های دو سر را بردارید و هر دو سر را جدا کنید و فقط قسمت میانی معمولی را باقی بگذارید. به خاطر داشته باشید که این حیوانات از نظر ژنتیکی ویرایش نشده‌اند. توالی ژنومی آنها خیلی عجیب است. الگوی استاندارد می‌گوید، اگر از شر این بافت اضافی خلاص شوید و ژنوم ویرایش شده باشد، باید یک کرم کاملاً طبیعی بسازد. این کرم‌ها وقتی دوباره و دوباره در آب معمولی قطعه قطعه می‌شوند، با دو سر به بازسازی خود ادامه می‌دهند.

حافظۀ الگویی که در این حیوانات باعث می‌شود تا پس از آسیب به‌طور دائم با آن بازسازی شوند، واقعاً شگفت‌انگیز است. در واقع ما می‌توانیم آن را بازنویسی کنیم و آنها را بدون هیچ گونه ویرایش ژنومی به حالت تک سر بفرستیم. ساختار اطلاعاتی که به این کرم‌ها می‌گوید چند سر قرار است داشته باشند، به صورت مستقیم در ژنوم نیست، بلکه در این لایۀ بیوالکتریکی اضافی قرار دارد.

لوین اعلام کرد: ما اکنون توانایی بازنویسی را داریم. برای بازنویسی باید آنچه که نوشته می‌شود در درازمدت پایدار باشد. ما اکنون شروع به شکستن این کد مورفوژنتیک کرده‌ایم تا ببینیم چگونه این بافت‌ها نقشه‌ای از کارهایی که باید انجام دهند را ذخیره می‌کنند و چگونه می‌توانیم وارد آن شویم و آن نقشه را برای نتایج جدید بازنویسی کنیم؟

در مورد  Xenobots

Xenobotها با آزاد کردن گروه‌هایی از سلول‌ها از ارگانیسم‌های خود و اجازه دادن به آنها برای تشکیل به عنوان موجودات کاملاً جدید که از هوش سلولی و ارتباطات بیوالکتریکی خود برای توسعۀ رفتارهای منحصر به فرد استفاده می‌کنند، یا می‌توانند به صورت خارجی طراحی و برنامه‌ریزی شوند، تشکیل می‌شوند.

بازسازی اندام‌ها از طریق میانبرهای زیرمجموعه

یکی دیگر از نتایج خیره‌کنندۀ تحقیقات لوین نشان دادن این است که هک کردن موجودات مختلف با استفاده از این روش ممکن است در نهایت بسیار ساده‌تر از آن چیزی باشد که به نظر می‌رسد. در اساس نیازی به درک چگونگی ساختن دست، چشم یا مغز در سطح مولکولی نیست. هوش سلولی می‌داند چه باید بکند، فقط باید ساخت اندام را در سطح کلان آغاز کرد.

لوین از مثال ساختن چشم‌های کامل در رودۀ بچه قورباغه‌ها استفاده می‌کند. به گفتۀ او با راه‌اندازی زیرمجموعه‌های چشم‌سازی در نرم‌افزار فیزیولوژیکی بدن، می‌توانید خیلی خیلی راحت به آن بگویید که یک اندام پیچیده بسازد.

وی عنوان کرد: من فکر می‌کنم زمان زیادی طول می‌کشد تا بتوانیم مواردی مانند چشم یا دست یا از این قبیل را بسازیم. امّا نیازی به این کار نداریم، چرا که بدن از قبل می‌داند که چگونه این کار را انجام دهد. یک سری برنامه‌های فرعی هستند که می‌توانند توسط الگوهای الکتریکی خاصی که ما می‌توانیم پیدا کنیم این کار را انجام دهند. این موضوعی است که ما آن را شکستن کد بیوالکتریک می‌نامیم و می‌توانیم چشم و دست و پاهای اضافی را بسازیم.

لوین افزود: به عنوان مثال: می‌توانیم نشان دهیم که در قورباغه‌های بالغ که معمولاً پاهای خود را بازسازی نمی‌کنند، 24 ساعت تحریک با درمان خاصی که ما به آن دست یافتیم یک سال و نیم بعد، رشد دوبارۀ پا را ممکن می‌سازد. پس از آن، ما اصلاً به آن دست نمی‌زنیم. هدف این نیست که فرآیند را مدیریت کنیم، هدف ما این است که سلول‌ها را متقاعد کنیم که این همان کاری است که آنها می‌خواهند انجام دهند و آنها همه صلاحیت‌ها را در مورد چگونگی انجام این کار دارند.

پیامدهای انقلابی در حوزۀ پزشکی بازساختی

اگر بتوان هر عضو مورد علاقۀ بدن را از ابتدا دوباره رشد داد، خیلی خوب می‌شود. لوین معتقد است که پتانسیل این کار در هوش سلولی و هک بیوالکتریکی عمیق وجود دارد.

لوین اعلام کرد: بیشتر مشکلات زیست‌پزشکی مانند نقص‌های مادرزادی، بیماری‌های تخریب‌کنندۀ عصبی، پیری، مشکلات آسیب‌زا و حتی سرطان به یک موضوع خلاصه می‌شوند، اینکه سلول‌ها آنچه را که می‌خواهید، نمی‌سازند. بنابراین اگر ما بفهمیم که چگونه با این مجموعه‌های سلولی ارتباط برقرار کنیم و مورفولوژی هدف آنها را بازنویسی کنیم، می‌توانیم تومورها را از بین ببریم، نقص‌های مادرزادی را ترمیم و سایر اندام‌ها را بازسازی کنیم.

اینها کارهایی هستند که ما قبلاً در قورباغه‌ها انجام داده‌ایم. قدم هیجان‌انگیز بعدی این است که آن را به سلول‌های پستانداران ببریم.

هوش مولکولی

گروه تحقیقاتی لوین تمرکز خود را فراتر از نگاه کردن به سلول‌های زنده گسترش داده‌اند و فهمیده‌اند که الگوهای زیرمجموعه‌ای که می‌توانند بخشی از یک کار را انجام دهند، در ظاهر تا سطح مولکولی لانه دارند.

به گفتۀ لوین تمام سطوح از عوامل فرعی تشکیل شده‌اند که مشکلات را در فضاهای مختلف از قبیل فضای تشریحی، فضای فیزیولوژیکی و موارد دیگر حل می‌کنند. آنها شایستگی‌ها و برنامه‌های متفاوتی دارند. من این عوامل فرعی را مادۀ عاملی می‌نامم که باید آن را به گونه‌ای متفاوت از مهندسی مادۀ غیرفعال یا حتی فعال، مهندسی کرد.

لوین تصریح کرد: ما ظرفیت‌های یادگیری شبکه‌های مولکولی را مطالعه می‌کنیم. حتی شبکه‌های مولکولی به احتمال حداقل شش نوع مختلف ظرفیت یادگیری دارند. ما باید سیستم‌های مولکولی را دارای هوش در نظر بگیریم. همۀ ما زندگی را به عنوان یک تخمدان بارور نشده شروع می‌کنیم که یک لکۀ کوچک از شیمی و فیزیک است.

وی بیان کرد: هوشی که من در مورد آن صحبت می‌کنم، هوشی است که محققی به نام ویلیام جیمز آن را به عنوان یک هدف با ابزارهای مختلف تعریف کرده است. بنابراین واقعاً یک هوش ناوبری است. وقتی صحبت از هوشیاری می‌شود، من در مورد فراهوش خودآگاه صحبت نمی‌کنم، یعنی جایی که شما می‌دانید چقدر باهوش هستید، منظور من توانایی هدایت در یک فضای مشکل و رسیدن به اهداف با وجود موضوعات جدیدی که قرار است اتفاق بیفتد، می‌باشد.

آگاهی و هوش مصنوعی

لوین و گروهش شروع به یافتن نمونه‌های قابل آزمایش از هوش انعطاف‌پذیر و حل‌ مسئله در مکان‌های زیادی کرده‌اند.

مانند بسیاری از مناطق پیشرفته در دنیای علم و فناوری امروز، تحقیق لوین به طرز ناراحت کننده‌ای به سد ناشناخته‌ها و قلمروهای فلسفی نزدیک می‌شود. در واقع وقتی نوبت به هوش مصنوعی می‌رسد، محققان در تلاش هستند بفهمند دقیقاً چه مواردی یک هوش مصنوعی به اندازۀ کافی پیشرفته را از یک موجود آگاه جدا می‌کند، تقریباً می‌توان گفت که تحقیق لوین از طرف مقابل به همان مانع نزدیک می‌شود.

در مقاله‌ای که در مجلۀ Frontiers in Systems Neuroscience منتشر شده است، لوین در مورد چارچوب شناختی فراگیرتر بحث می‌کند.

او در این زمینه گفت: هر تفاوتی بین ما و نوعی معماری هوش مصنوعی آینده وجود داشته باشد، پاسخ آن چیزی نیست که مردم اغلب می‌گویند.

لوین افزود: ما ظرفیت‌ها و رفتارهای غیرمنتظرۀ حل مسئله را در موردی به اندازۀ یک الگوریتم مانند مرتب‌سازی حباب، مرتب‌سازی پیدا کرده‌ایم. این موارد قطعی هستند. اگر به روش صحیح به آنها نگاه کنید، مسائلی را می‌یابید که نمی‌دانستید آنها می‌توانند انجام دهند.

در واقع، لوین تصمیم گرفته است که خط خود را بین هوش سلولی زنده و هوش مصنوعی ترسیم کند.

وی اعلام کرد: چند ماه پیش شروع به نوشتن مقاله‌ای کردم تا به وضوح بیان کنم که چه مسائلی در مورد زیست‌شناسی حیاتی هستند، که واقعاً برای ساختن عوامل واقعی از نظر اخلاقی مهم می‌باشند. البته قرار نیست آن مقاله را بنویسم، بالأخره شخص دیگری این کار را انجام خواهد داد. امّا من نمی‌خواهم مسئولیت این مسائل را بر عهده بگیرم.

اشکال جدید زندگی حساس

اینجاست که ما به این مرحله از سفر علمی لوین خاتمه می‌دهیم: تفکر در مورد اینکه آیا می‌توان با استفاده از بینش‌ها و تکنیک‌های باورنکردنی که او و همکارانش در این زمینۀ برجسته توسعه داده‌اند، اشکال جدیدی از زندگی هوشمندانه و آگاهانه ایجاد کرد.

لوین اعتقاد دارد که این موضوع کاملاً ممکن است.

وی در این‌باره بیان کرد: وقتی من در مورد این مسائل برای یک مخاطب عادی و تصادفی در زمینه‌های معمولی صحبت می‌کنم، بیشتر آنها مواردی هستند که هرگز در مورد آنها نشنیده‌اند یا در سطح فلسفی برای آنها کاملاً اشتباه به نظر می‌رسد. ما اکنون درحال گذار به مرحلۀ «این غیرممکن است» به «این کاملاً واضح است» هستیم.

بنابراین همۀ اینها برای آیندۀ انسان چه معنایی دارد؟

لوین به این پرسش به این شکل پاسخ داد: آینده آزادی تجسم است. در آینده می‌بینم، فرزندان ما که داستان‌های گذشته برای آنها گفته می‌شود، می‌گویند: شوخی می‌کنی؟ یعنی در گذشته کسی به دنیا آمده است و فقط به دلیل مشکلاتی که در DNA آنها وجود داشته، مجبور شدند با بدنی که با آن متولد شده‌اند، سر کنند و بمیرند؟!