ابتكر باحثون في جامعة جنوب كاليفورنيا خلايا عصبية صناعية يمكنها تكرار العمليات البيولوجية المعقدة للدماغ. تم بناء هذه الخلايا العصبية على ما يسمى بميمريستور الانتشار وتحتل مساحة ترانزستور واحد فقط، مما يجعل من الممكن إنشاء شرائح أكثر إحكاما وكفاءة في استخدام الطاقة للحوسبة العصبية. ونشرت النتائج في المجلة نإلكترونيات الطبيعة.

يوضح البروفيسور جوشوا يانغ، الباحث الرئيسي في المشروع ومدير مركز التميز للحوسبة العصبية: “نحن نعمل على تطوير أنظمة تعمل وفقًا لمبادئ ملحوظة في الدماغ، ولكن على نطاق الرقائق الدقيقة”.

كيف تحاكي الخلايا العصبية الدماغ

في الدماغ البشري، تعالج الخلايا العصبية المعلومات باستخدام الإشارات الكهربائية والمواد الكيميائية مثل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم. وتنتقل هذه الإشارات من خلية عصبية إلى أخرى عبر المشابك العصبية، حيث يتحول النشاط الكهربائي إلى نشاط كيميائي ثم يعود مرة أخرى. وتمكن يانغ وفريقه من إعادة إنتاج هذه العملية بدقة عالية.

في تصميمها، تولد أيونات الفضة الموجودة في الأكسيد نبضات كهربائية، لمحاكاة العمليات الحسابية للدماغ.

يقول يانغ: “على الرغم من أن الخلايا العصبية الاصطناعية لدينا لا تستخدم نفس الأيونات، إلا أن فيزياء حركة الأيونات متشابهة جدًا. وتنتشر الفضة بسهولة، مما يسمح بتحقيق الديناميكيات المطلوبة لوظيفة الخلايا العصبية باستخدام بنية بسيطة”.

كفاءة الطاقة والتعلم التكيفي

تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية الإلكترونات لإجراء العمليات الحسابية، والتي توفر سرعة عالية ولكنها تتطلب كميات هائلة من الطاقة. على العكس من ذلك، يتعلم الدماغ عن طريق تحريك الأيونات عبر الأغشية، مما يسمح له بامتصاص المعلومات بسرعة بأقل استهلاك للطاقة – حوالي 20 واط.

يوضح يانغ: “يتعلم الطفل الصغير التعرف على الأرقام المكتوبة بخط اليد من خلال بضعة أمثلة فقط، بينما يحتاج الكمبيوتر عادة إلى الآلاف”.

هذه هي الجودة التي يحاول العلماء نقلها إلى الرقائق. تعمل ذاكرات الانتشار على إنشاء خلايا عصبية يمكن “التعلم” مباشرة على مستوى الأجهزة، دون الحاجة إلى نمذجة برمجية لجميع العمليات. هذا النهج يجعل الحوسبة أكثر تكيفًا وكفاءة، مما يجعلها أقرب إلى عمل الدماغ البيولوجي.

اختراق في الرقائق والذكاء الاصطناعي

تشغل الخلايا العصبية الجديدة ترانزستور واحد فقط، في حين أن الأجهزة العصبية التقليدية تتطلب عشرات أو مئات. وهذا يفتح الطريق أمام إنشاء شرائح يمكن أن تكون مدمجة وموفرة للطاقة وعملية في نفس الوقت.

يقول يانغ: “لقد قمنا بتطوير وحدات بناء من شأنها تقليل حجم الرقاقة وتقليل استهلاك الطاقة بأضعاف مضاعفة حتى يتمكن الذكاء الاصطناعي من العمل بشكل مستقر وفعال”.

تتضمن المرحلة التالية من البحث توسيع نطاق هذه الخلايا العصبية في مصفوفات أكبر واختبار مدى دقتها في تكرار وظائف المخ. ووفقا ليانغ، فإن مثل هذه الأنظمة يمكن أن توفر رؤى جديدة حول عمل الدماغ البشري نفسه، مما يفتح آفاقا لتطوير الذكاء العام الاصطناعي.

هذه الخلايا العصبية الاصطناعية لديها القدرة على العمل كأساس للجيل القادم من الرقائق العصبية. ويمكنها الجمع بين قوة المعالجة لأجهزة الكمبيوتر الحديثة وكفاءة استخدام الطاقة والقدرة على التكيف للأدمغة البيولوجية.

يوضح يانغ: “الفكرة هي إنشاء تعلم أجهزة يعمل مثل الدماغ، وليس من خلال محاكاة البرامج”.