أجهزة الكمبيوتر التي تعمل على خلايا الدماغ البشري

في بلدة على ضفاف بحيرة جنيف، توجد مجموعات من خلايا الدماغ البشرية الحية للإيجار. يمكن لهذه النقط، التي يبلغ حجمها حجم حبة الرمل تقريبًا، استقبال الإشارات الكهربائية والاستجابة لها، تمامًا كما تفعل أجهزة الكمبيوتر. يمكن لفرق البحث من جميع أنحاء العالم إرسال مهام النقط، على أمل أن يقوموا بمعالجة المعلومات وإرسال إشارة مرة أخرى.

مرحبًا بك في عالم البرامج الرطبة، أو أجهزة الكمبيوتر الحيوية. في عدد قليل من المختبرات والشركات الأكاديمية، يقوم الباحثون بتنمية الخلايا العصبية البشرية ويحاولون تحويلها إلى أنظمة وظيفية تعادل الترانزستورات البيولوجية. ويجادلون بأن شبكات الخلايا العصبية هذه يمكن أن توفر يومًا ما قوة الكمبيوتر العملاق دون الحاجة إلى استهلاك الطاقة الضخم.

هل يمكن للأدمغة المزروعة في المختبر أن تصبح واعية؟

النتائج حتى الآن محدودة. لكن العلماء المتحمسين يشترون بالفعل أو يستعيرون إمكانية الوصول عبر الإنترنت إلى معالجات خلايا الدماغ هذه – أو حتى يستثمرون عشرات الآلاف من الدولارات لتأمين نماذجهم الخاصة.

يرغب البعض في استخدام هذه الحواسيب الحيوية كبدائل مباشرة لأجهزة الكمبيوتر العادية، في حين يرغب آخرون في استخدامها لذلك دراسة كيفية عمل العقول. يقول بنجامين وارد-شيرير، باحث الروبوتات في جامعة بريستول بالمملكة المتحدة، الذي يستأجر وقتًا لدراسة النقط الدماغية السويسرية: “إن محاولة فهم الذكاء البيولوجي هي مشكلة علمية مثيرة للاهتمام للغاية”. “وبالنظر إلى الأمر من الأسفل إلى الأعلى – مع نسخ صغيرة وبسيطة من دماغنا وبناء تلك النسخ – أعتقد أن هذه طريقة أفضل للقيام بذلك من الأعلى إلى الأسفل.”

ويدعي المدافعون عن الحوسبة الحيوية أن هذه الأنظمة يمكن أن تنافس في يوم من الأيام قدرة الذكاء الاصطناعي وإمكانات أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

الباحثون الآخرون الذين يعملون مع الخلايا العصبية البشرية أكثر تشككًا فيما هو ممكن. ويحذرون من أن الضجيج -والإغراء الخيالي العلمي لما يسمى أحيانًا أنظمة الدماغ في وعاء- قد يؤدي إلى نتائج عكسية. إذا كانت فكرة هذه الأنظمة تمتلك الوعي والوعي إذا ترسخت هذه الفكرة، فقد تكون هناك تداعيات على مجتمع البحث.

تقول مادلين لانكستر، عالمة الأحياء التنموية، التي تستخدم الأنسجة العصبية لدراسة التطور والمرض في جامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة، ولكنها لا تشارك في مشاريع الحوسبة الحيوية: “أشعر بالقلق من أنه إذا حظي هذا النوع من العمل بقدر كبير من الاهتمام، وكان مبالغًا فيه، فلن يكون رد الفعل هو: “نحن بحاجة إلى التفكير في هذا العمل بعناية أكبر قليلًا”. بل سيكون: “نحن بحاجة إلى إيقاف هذا العمل تمامًا”. “قد يؤدي ذلك إلى فرض لوائح تمنع جميع الأعمال، بما في ذلك العمل في المجال الذي يقوم بالفعل بإجراء أبحاث لمحاولة مساعدة الناس”.

خفض الطاقة

لطالما تطلع علماء الكمبيوتر إلى كفاءة الطاقة المذهلة للدماغ البشري. يعمل بقدرة تقل عن 20 واطًا – وهو ما يكفي تقريبًا لتشغيل مروحة صغيرة على سطح المكتب – ويمكن لمليارات الخلايا العصبية أن تدور من خلال ما يعادل مليار مليار عملية حسابية في كل ثانية. يمكن لأفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة أن تضاهي هذه السرعة، ولكنها تستهلك طاقة أكبر بمليون مرة في القيام بذلك.

يحاول بعض الباحثين تكرار بنية الدماغ فائقة الكفاءة باستخدام رقائق السيليكون. هذا النهج، الذي يُطلق عليه على نطاق واسع الحوسبة العصبية، يستلهم من كيفية اتصال الخلايا العصبية وإطلاقها للتواصل. وعلى وجه التحديد، تسعى بعض الأنظمة إلى محاكاة كيفية شحن الخلايا العصبية إلى حد معين قبل إطلاق نبضة كهربائية.

ومن ناحية أخرى، تعود الحوسبة الحيوية إلى مصدر المادة البيولوجية. بدءًا من الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات (iPS)، والتي يمكن إعادة برمجتها لتصبح أي نوع من الخلايا تقريبًا، يقوم الباحثون بزراعة مجتمعات من خلايا الدماغ ورعايتها بالمواد المغذية وعوامل النمو. للتواصل معها، يضع الباحثون الخلايا على مصفوفات الأقطاب الكهربائية، ثم يمررون إليها الإشارات والأوامر على شكل تسلسل من النبضات الكهربائية. تغير هذه الإشارات الطريقة التي تتدفق بها الأيونات داخل وخارج الخلايا العصبية، وقد تحفز بعض الخلايا على إطلاق نبضات كهربائية تعرف باسم جهد الفعل. يمكن لأقطاب الكمبيوتر الحيوي اكتشاف هذه الإشارات واستخدام الخوارزميات لتحويلها إلى معلومات قابلة للاستخدام.

تتعلم الخلايا العصبية الموجودة في الطبق العزف على كرة الطاولة، فما الخطوة التالية؟

إن أسلوب الحوسبة الحيوية الأكثر شيوعًا يقوم بزراعه الخلايا العصبية كمجموعات ثلاثية الأبعاد تسمى العضيات. يختلف تكوين مجتمعات خلايا الدماغ هذه، اعتمادًا على كيفية تمايز الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات، ولكنها تشتمل عادةً على الخلايا العصبية والخلايا التي تدعمها، مثل الخلايا النجمية والخلايا الدبقية قليلة التغصن.

في أغسطس/آب، أفاد وارد تشيرير وزملاؤه بذلك¹ باستخدام عضويات الدماغ البشري المكونة من حوالي 10000 خلية عصبية “للتعرف” على أحرف برايل. استخدموا في البداية روبوتًا مزودًا بمستشعر لمسي لقراءة الحروف، ثم قاموا بتحويل البيانات التي تم جمعها لكل حرف إلى نمط مميز من النبضات الكهربائية – مع تغيير التوقيت والشدة، على سبيل المثال – والتي تم تمريرها عبر سلسلة من ثمانية أقطاب كهربائية موضوعة بجوار سطح العضو العضوي. تسجل هذه الأقطاب الكهربائية النشاط الجماعي للعديد من الخلايا العصبية القريبة.

أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت أنماط إطلاق النار في العضو العضوي مختلفة اعتمادًا على نمط التحفيز الذي تلقاه، وما إذا كانت تلك الاستجابات متسقة.

بالنسبة لكل حرف، قاموا بجمع الاستجابة من كل قطب كهربائي، وحساب متوسطها للحصول على ناتج عضوي إجمالي، واستخدموا التعلم الآلي لتحديد أي أنماط.

وأظهرت النتائج أنه عند تغذية نبضات كهربائية تتوافق مع أحرف محددة، فإن عضويًا واحدًا ينتج نفس الاستجابة المميزة بنسبة 61٪ من الوقت، في المتوسط. وعندما تم الجمع بين استجابات ثلاثة عضويات، ارتفعت النسبة إلى 83%. بمعنى آخر، يمكن للعضويات أن تؤدي مهمة معالجة بسيطة: التمييز بين المدخلات وتحديدها.

بالنسبة لـ Ward-Cherrier، هذا دليل قوي على المبدأ. “إنها محاولة أولية لإظهار قدرتنا على القيام بهذه الأنواع من المهام. والخطوة التالية هي القيام بشيء أكثر تعقيدًا بعض الشيء.” ويمكن أن يشمل ذلك تفسير الرسائل الواردة من الخلايا المستنبتة كتعليمات للروبوت، لقراءة الرسالة مرة أخرى، على سبيل المثال. تحدد مثل هذه القدرات ما يسميه الباحثون أنظمة الحلقة المغلقة، والتي لم يتم إثباتها بعد مع عضويات الدماغ البشري – على الرغم من دراسة أجريت عام 2024² أفاد الباحثون أن مثل هذا النظام، المصنوع من عضويات عصبية خاصة بالفئران، يمكن أن يلعب دوره كارتبول، لعبة كمبيوتر الهدف فيها هو إبقاء عمود متذبذب في وضع مستقيم على عربة متحركة.

نظرًا لأن المدخلات والمخرجات في الأنظمة المستزرعة عبارة عن إشارات كهربائية بسيطة، فمن السهل توفير الوصول عن بعد إلى الكائنات العضوية عبر الويب. لذلك، على الرغم من أن الروبوت الذي يقرأ بطريقة برايل يتمركز في مختبر وارد-شيرير في بريستول، إلا أنه تتم زراعة الأعضاء العضوية وإيواؤها في شركة FinalSpark، في فيفي، سويسرا.

يقول فريد جوردان، المؤسس المشارك لـ FinalSpark، وهو معجب بالخيال العلمي، إنه يريد تطوير أنظمة من الخلايا العصبية البيولوجية التي يمكنها “أداء بعض الأشياء المماثلة التي يتم القيام بها مع الذكاء الاصطناعي اليوم”.

هناك طريق طويل لنقطعه. ويعترف بأن الأنظمة العضوية، كأجهزة كمبيوتر، أصبحت في الوقت الحالي “عديمة الفائدة تمامًا من منظور عملي”. “هناك فرق كبير جدًا بين الحلم أو التفكير بشيء ما والقيام به على أرض الواقع. وأحب أن أكون أحد هؤلاء الأشخاص الذين يتخذون هذه الخطوة “.

تحصل مجموعات أكاديمية مختارة، مثل Ward Cherrier، على وصول مجاني إلى المواد العضوية FinalSpark، وقد اشتركت العديد من الفرق في ذلك. على سبيل المثال، يقوم فريق من جامعة ميتشيجان في آن أربور باختبار أنواع مختلفة من التحفيز لمعرفة كيفية تصرف الكائنات العضوية، ويركز الباحثون في جامعة برلين الحرة على الكيفية التي يمكن بها لأدوات التعلم الآلي استخلاص المعلومات من أنماط إطلاق النار العصبية بشكل أفضل.

بالنسبة للعملاء ذوي الموارد المالية الكبيرة، بما في ذلك الشركات الخاصة، يمكن للرسوم الشهرية البالغة 5000 دولار أمريكي أن تضمن الوصول الحصري عبر الإنترنت إلى نظام عضوي. والكثير يفعل. يقول جوردان: “لدينا شركات كبيرة جدًا تنشط في مجالات فردية قد تعتقد أنها غير متصلة بهذا الأمر”. وعلى النقيض من العمل المجاني الذي تقوم به المجموعات الأكاديمية، فإن شركة FinalSpark لا تعرف الغرض من استخدام العملاء الذين يدفعون للعضويات.

وتتجه مجموعات مستقلة أخرى تتمتع بخبرة في مجال العضيات إلى مجال الحوسبة الحيوية. تحتوي كل عضويات عصبية في مختبر أليسون موتري بجامعة كاليفورنيا في سان دييجو على حوالي 2.5 مليون خلية عصبية من أنواع مختلفة. يهدف Muotri إلى تطبيق المواد العضوية على مشكلة حقيقية: التنبؤ بمسار الانسكابات النفطية المحتملة في غابات الأمازون. ومن المقرر أن ينتهي المشروع، الذي تموله شركة نفط، بحلول عام 2028. ويقول: “نحن نواجه التحدي”. “سنرى أين نحن في غضون ثلاث سنوات.”

أرض التدريب

بالنسبة للعديد من مستخدمي الكائنات العضوية الذين يحاولون تنفيذ مهام أكثر تعقيدًا، فإن أحد الأهداف المباشرة هو إيجاد طرق لتدريب الخلايا العصبية، وبالتالي تشجيع السلوك الموجه نحو الأهداف. في الوقت الحاضر، تشترك الاستجابات من الأعضاء العضوية التي تم إنتاجها في مختبر FinalSpark مع الأفعال المنعكسة للجهاز العصبي المحيطي – عندما ترفس ساق شخص ما استجابةً لنقرة أسفل الركبة، على سبيل المثال – أكثر من العمليات المرنة التي توجه عملية صنع القرار في الدماغ.

للتعامل مع المزيد من التعقيد، يجب أن تكون هذه الأنظمة العصبية قادرة على التعلم. يقول جوردان إن إحدى الطرق لتشجيع ذلك هي توصيل الناقلات العصبية مثل الدوبامين لمحاولة ضبط استجابات العضيات لمحفزات معينة. يجعل الدوبامين الخلايا العصبية أكثر عرضة للتحفيز ويقوي المشابك العصبية التي تربطها، وهما تغييران يجعلان نفس الاستجابة العصبية للمحفز أكثر عرضة للتكرار في المستقبل.

وهناك تقنية أخرى تسمى تحفيز التدريب على الأنماط، والتي استخدمها في عام 2022 باحثون في شركة Cortical Labs، وهي شركة مقرها في ملبورن، أستراليا، لتشجيع خلايا الدماغ المزروعة في المختبر. للعب لعبة الكمبيوتر في السبعينيات بونغ³.

وبدلاً من العمل مع الكائنات العضوية، اختاروا إنشاء شبكات من الخلايا في الأطباق (انظر: “الحوسبة باستخدام الخلايا”). ثم قام الباحثون بتوصيلهم بجهاز كمبيوتر، والذي تمت برمجته بحيث تحرك استجابة الخلايا العصبية للتحفيز مجدافًا افتراضيًا بينما ترتد كرة افتراضية. ولتوجيه المجداف نحو الكرة، قام الباحثون بتغذية الخلايا العصبية بدفقة منظمة من النشاط الكهربائي إذا قامت الخلايا (في البداية، بشكل عشوائي) بالتحرك بشكل صحيح. إذا حركت الخلايا العصبية المجداف في الاتجاه الخاطئ، فإنها تتعرض لضوضاء بيضاء فوضوية. وبمرور الوقت، تعلمت الخلايا العصبية ضرب الكرة لتلقي الاستجابة النمطية بدلاً من الاستجابة العشوائية.

وتستمد هذه الاستراتيجية من ملاحظة أن خلايا الدماغ تميل إلى تكرار النشاط الذي يؤدي إلى نتائج يمكن التنبؤ بها، وبالتالي سوف تتعلم أنواع السلوك التي تؤدي إلى التحفيز المألوف.

وقد طورت شركة Cortical Labs الآن نظامًا معياريًا يمكنه ربط أعداد متزايدة من الآبار الفردية، التي تحتوي كل منها على 1000 خلية عصبية على الأكثر، لتشكيل ما تسميه الشركة الذكاء الهندسي الحيوي. تتمتع كل مزرعة خلية بعمر إنتاجي يبلغ حوالي ستة أشهر قبل أن يتم استبدالها.