الذكاء الاصطناعي: تم تطوير رقاقة تحاكي نشاط الدماغ

لعقود من الزمن، حلم العلماء بإنشاء نظام كمبيوتر قادر على محاكاة موهبة الدماغ البشري في تعلم مشاكل جديدة.

خطا علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خطوةً كبيرةً نحو تحقيق هذا الهدف من خلال تطوير شريحة حاسوبية تُحاكي طريقة تكيف الخلايا العصبية في الدماغ استجابةً للمعلومات الجديدة. ويُعتقد أن هذه الظاهرة، المعروفة باسم اللدونة، تُشكل أساس العديد من وظائف الدماغ، بما في ذلك التعلم والذاكرة.

باستخدام حوالي 400 ترانزستور، تستطيع شريحة السيليكون محاكاة نشاط مشبك دماغي واحد - وهو الوصلة بين خليتين عصبيتين تُسهّل نقل المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. ويتوقع الباحثون أن تُساعد الشريحة علماء الأعصاب على فهم آلية عمل الدماغ بشكل أفضل، ويمكن استخدامها أيضًا لتطوير أطراف اصطناعية عصبية مثل شبكية العين الاصطناعية، وفقًا لقائد المشروع تشي سانغ بون.

نمذجة المشابك العصبية

يوجد حوالي 100 مليار خلية عصبية في الدماغ، تُشكّل كل منها تشابكات عصبية مع العديد من الخلايا العصبية الأخرى. التشابك العصبي هو الحيز بين خليتين عصبيتين (خلايا عصبية قبل المشبك وخلايا عصبية بعد المشبك). تُطلق الخلية العصبية قبل المشبكية نواقل عصبية مثل الغلوتامات وحمض غاما أمينوبوتيريك (GABA)، والتي ترتبط بمستقبلات على غشاء الخلية بعد المشبك، مما يُنشّط قنوات الأيونات. يؤدي فتح هذه القنوات وإغلاقها إلى تغير الجهد الكهربائي للخلية. إذا تغير الجهد بشكل كبير بما يكفي، تُطلق الخلية نبضة كهربائية تُسمى جهد الفعل.

يعتمد النشاط المشبكي بأكمله على قنوات أيونية، تتحكم في تدفق الأيونات المشحونة كالصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم. وتُعد هذه القنوات أساسيةً أيضًا في عمليتين تُعرفان بالتعزيز طويل الأمد (LTP) والاكتئاب طويل الأمد (LTD)، واللتين تُقويان المشابك وتُضعفانها على التوالي.

صمم العلماء رقاقة الحاسوب الخاصة بهم بحيث تحاكي الترانزستورات نشاط قنوات أيونية مختلفة. وبينما تعمل معظم الرقاقات في وضع التشغيل/الإيقاف الثنائي، تتدفق التيارات الكهربائية في الرقاقة الجديدة عبر الترانزستورات في وضع تناظري. ويؤدي تدرج الجهد الكهربائي إلى تدفق التيار عبر الترانزستورات بنفس طريقة تدفق الأيونات عبر قنوات الأيونات في الخلية.

يقول بون: "يمكننا ضبط معلمات الدائرة للتركيز على قناة أيونية محددة. والآن، لدينا طريقة لالتقاط كل عملية أيونية تحدث في الخلية العصبية".

ويقول دين بونومانو، أستاذ علم الأعصاب في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، إن الشريحة الجديدة تمثل "تقدماً كبيراً في الجهود المبذولة لدراسة الخلايا العصبية البيولوجية والمرونة المشبكية على شريحة CMOS [أشباه الموصلات المعدنية التكميلية]"، مضيفاً أن "مستوى الواقعية البيولوجية مثير للإعجاب.

يخطط العلماء لاستخدام رقاقتهم لإنشاء أنظمة لمحاكاة وظائف عصبية محددة، مثل نظام المعالجة البصرية. قد تكون هذه الأنظمة أسرع بكثير من الحواسيب الرقمية. حتى أنظمة الحواسيب عالية الأداء تستغرق ساعات أو أيامًا لمحاكاة دوائر الدماغ البسيطة. أما باستخدام النظام التناظري للرقاقة، فإن عمليات المحاكاة أسرع من الأنظمة البيولوجية.

من الاستخدامات المحتملة الأخرى لهذه الرقاقات تخصيص التفاعلات مع الأنظمة البيولوجية، مثل شبكيات العين والأدمغة الاصطناعية. وفي المستقبل، قد تُصبح هذه الرقاقات حجر الأساس لأجهزة الذكاء الاصطناعي، كما يقول بون.