چگونه دانشمندان سلولهای مغز انسان را به کامپیوتر تبدیل میکنند؟
اگرچه ممکن است این موضوع غیرواقعی به نظر برسد، اما احتمال دارد در آینده سختافزارهای محاسباتی را مشاهده کنیم که بهجای سیلیکونهای متداول، از سلولهای زنده مغز انسان ساخته شدهاند. یک زیسترایانه، قادر است از مواد زیستی، مانند DNA، پروتئینها یا بافت زنده (برای نمونه نورونهای رشدیافته در محیط آزمایشگاهی) برای انجام وظایف محاسباتی بهره بگیرد. این فرایند شامل پرورش نورونها، تبدیل آنها به خوشههای کوچک موسوم به ارگانوئید، و سپس اتصال این خوشهها به الکترودها برای استفاده از آنها بهعنوان رایانههایی بسیار کوچک است. نکته شایان توجه این است که چنین زیسترایانههایی انرژی بسیار کمتری نسبت به نمونههای مرسوم مصرف میکنند.
در حال حاضر، این فناوری بسیار نوظهور است و زیسترایانهها تنها توان انجام عملیاتهای بسیار ساده را دارند. در سال ۲۰۲۲، شرکت استرالیایی Cortical Labs توانست توجه جهانی را به موفقیت خود در واداشتن نورونهای مصنوعی به انجام بازی رایانهای کلاسیک Pong جلب کند. نمونهای دیگر از این حوزه، سیستم زیستمحاسباتی Brainoware است که سلولهای زنده مغزی را به یک رایانه متصل میکند تا به قابلیت تشخیص ابتدایی گفتار برسد. همچنین، تیمی از دانشگاه بریستول اخیراً گزارش داده که با استفاده از ارگانوئیدهای مغزی انسان که دارای نورون بودند، موفق به شناسایی حروف بریل شدهاند.
تمرکز فعلی در آزمایشگاهها، بر پرورش نورونهای انسانی و تبدیل آنها به سامانههایی کارکردی است که بتوان آنها را با ترانزیستورهای زیستی مقایسه کرد.
بهرهبرداری از توان مغز
کارشناسان در تلاشاند تا توانایی شگفتانگیز بهرهوری انرژی مغز انسان را بازآفرینی کنند؛ مغزی که با مصرف کمتر از ۲۰ وات انرژی، قادر به انجام تقریباً یک میلیارد عملیات ریاضی در هر ثانیه است. در مقابل، قدرتمندترین ابررایانهها اگرچه میتوانند از نظر سرعت به مغز انسان نزدیک شوند، اما به حدود یک میلیون برابر انرژی بیشتری نیاز دارند.
در یک مقاله منتشرشده در The Conversation، برام سروایس، دانشجوی دکتری مهندسی پزشکی از دانشگاه ملبورن، توضیح داده که بنیاد زیستمحاسبات تقریباً ۵۰ سال پیش بنا نهاده شد. عصبپژوهان کار خود را با پرورش نورونها بر آرایههایی از الکترودهای بسیار کوچک آغاز کردند تا الگوهای فعالیت الکتریکی آنها را بررسی کنند. تا اوایل دهه ۲۰۰۰، ارتباط دوطرفه ابتدایی میان نورونها و الکترودها شکل گرفت و همین امر ایده محاسبات زیست-هیبریدی را پایهگذاری کرد؛ هرچند پیشرفت قابل توجهی تا زمان دستیابی به ارگانوئیدهای مغزی در سال ۲۰۱۳ رخ نداد.
این ارگانوئیدها ساختارهایی سهبعدی و شبیه به مغز هستند که از سلولهای بنیادی رشد داده شدهاند. امروزه در پژوهشهای استاندارد، استفاده از ارگانوئیدها، که اغلب با فناوری «ارگان-روی-تراشه» ترکیب میشوند، در مطالعات رشد و آزمایش دارو کاربرد گسترده دارد.
چالشهای اخلاقی
این حوزه در سال ۲۰۲۲ وارد مرحلهای هیجانانگیز شد؛ زمانیکه Cortical Labs مطالعهای منتشر کرد که نشان میداد نورونهای کشتشده توان یادگیری بازی Pong را دارند. بحثبرانگیزترین بخش این کار نه خود یافتهها، بلکه استفاده از عبارت «ادراک تجسمیافته» بود. این موضوع سبب شد پژوهشگران اصطلاح «هوش ارگانوئید» را مطرح کنند. مسئله مهم این است که چارچوب اخلاقی موجود متاسفانه با سرعت توسعه علمی، همخوانی ندارد و درحالحاضر ارگانوئیدها را صرفاً ابزارهای زیستپزشکی میداند. همین موضوع سبب شده است درخواستها برای تدوین فوری دستورالعملهای اخلاقی متناسب با روند سریع تجاریسازی افزایش یابد. نویسنده مقاله تأکید میکند که با وجود ظهور رفتارهای شبکهای پیچیده حتی بدون تحریک خارجی گسترده، اتفاقنظر میان متخصصان بر این است که ارگانوئیدهای کنونی هیچگونه آگاهی نداشته و حتی به چنین سطحی نزدیک نیستند.
توسعه جهانی
شرکتها و مؤسسات دانشگاهی در سراسر جهان، از جمله ایالات متحده، سوئیس، چین و استرالیا، مشغول توسعه بسترهای زیست-هیبریدی هستند. شرکتهایی مانند FinalSpark که امکان دسترسی از راه دور به ارگانوئیدها را فراهم کرده و Cortical Labs که رایانه زیستی رومیزی CL1 را عرضه میکند، انتظار دارند مشتریان فراتر از صنایع داروسازی، بهویژه پژوهشگران هوش مصنوعی، به استفاده از این فناوری روی آورند. گفته میشود که اهداف علمی نیز بسیار بلندپروازانه هستند؛ برای نمونه، طرح دانشگاه کالیفرنیا سندیگو برای بهرهگیری از ارگانوئیدها در پیشبینی نشتهای نفتی آمازون تا سال ۲۰۲۸. در این حوزه، اولویتهای کاری کنونی شامل پیشبرد مداوم، بازتولید و گسترش سامانههای نمونه اولیه است.
بهطور ویژه، بسیاری از گروهها در حال بررسی استفاده از ارگانوئیدها بهعنوان جایگزینی برای مدلهای حیوانی در پژوهشهای علوم اعصاب و سمشناسی هستند. همچنین چارچوبی عملی برای ارزیابی نحوه تأثیر مواد شیمیایی بر رشد اولیه مغز پیشنهاد شده است. علاوه بر این، ترکیب نورونها و سامانههای الکترونیکی توانسته است در پیشبینی بهتر فعالیتهای مغزی مرتبط با صرع نیز نتایج امیدوارکنندهای ارائه دهد.
