الذكاء الاصطناعي: رقاقة مصممة لمحاكاة نشاط الدماغ

على مدى عدة عقود ، كان العلماء يحلمون بإنشاء نظام كمبيوتر يمكن أن يكرر موهبة الدماغ البشري لاستكشاف تحديات جديدة.

اتخذ علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن خطوة مهمة نحو تحقيق هذا الهدف من خلال تطوير شريحة كمبيوتر تحاكي آلية تكييف الخلايا العصبية في الدماغ استجابةً للمعلومات الجديدة. ويعتقد العلماء أن هذه الظاهرة ، المعروفة باسم اللدونة ، تكمن وراء العديد من وظائف الدماغ ، بما في ذلك التعلم والذاكرة.

يمكن لحوالي 400 ترانزستور ورقاقة السيليكون أن تحاكي نشاط مشابك دماغي واحد - اتصال بين اثنين من العصبونات ، مما يسهل نقل المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. ويتوقع الباحثون أن تساعد هذه الشريحة علماء الأعصاب على تعلم المزيد عن عمل الدماغ ، كما يمكن استخدامها في تطوير الأطراف الاصطناعية العصبية ، مثل الشبكية الاصطناعية ، كما يقول مدير المشروع تشي سانج بون.

محاكاة المشابك

في الدماغ ، هناك حوالي 100 مليار خلية عصبية ، كل منها يشكل نقاط الاشتباك العصبي مع عدد كبير من الخلايا العصبية الأخرى. المشبك - الفجوة بين اثنين من الخلايا العصبية (الخلايا العصبية قبل المشبكي وبعد المشبكي). يفرز العصبون قبل المشبكي الناقلات العصبية مثل الغلوتامات و GABA ، التي ترتبط بالمستقبلات على الغشاء بعد المشبكي للخلية ، وتفعيل القنوات الأيونية. يؤدي فتح وإغلاق هذه القنوات إلى تغيير في الإمكانات الكهربائية للخلية. إذا كانت التغييرات المحتملة كبيرة بما فيه الكفاية ، فإن الخلية يطلق دفعة كهربائية تسمى جهد الفعل.

يعتمد كل النشاط المشبكي على القنوات الأيونية التي تتحكم في تدفق الأيونات المشحونة ، مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم. هذه القنوات هي أيضا أساسية في عمليتين تعرفان بالتأهيل طويل الأمد (LTP) والاكتئاب على المدى الطويل (LLC) ، والتي تقوي وتضعف المشابك على التوالي.

طور العلماء رقاقة حاسوب خاصة بهم ، بحيث تستطيع الترانزستورات محاكاة نشاط القنوات الأيونية المختلفة. بينما تعمل معظم الرقاقات في الوضع الثنائي - "تشغيل / إيقاف" ، تتدفق التيارات الكهربائية على الشريحة الجديدة عبر الترانزستورات في الوضع التناظري. يؤدي التدرج في الإمكانات الكهربائية إلى تدفق التدفق عبر الترانزستورات بنفس الطريقة التي تمر بها الأيونات عبر القنوات الأيونية في الخلية.

يقول بون: "يمكننا ضبط معلمات الدائرة للتركيز على قناة أيون محددة". "الآن لدينا طريقة لالتقاط كل عملية الأيونية التي تحدث في الخلايا العصبية."

الرقاقة الجديدة هو "تقدما كبيرا في الجهود المبذولة لدراسة الخلايا العصبية البيولوجية واللدونة متشابك في CMOS [مكمل معدن أكسيد أشباه الموصلات] رقاقة"، ويقول عميد بونومانو، أستاذ علم الأعصاب في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، مشيرا إلى أن "مستوى الواقعية البيولوجية ، هو مثير للإعجاب.

يخطط العلماء لاستخدام شرائحهم لإنشاء أنظمة لنمذجة وظائف عصبية معينة ، مثل نظام المعالجة البصرية. يمكن أن تكون هذه الأنظمة أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر الرقمية. حتى في أنظمة الكمبيوتر عالية الأداء ، يلزم وجود ساعات أو أيام لمحاكاة دوائر دماغية بسيطة. مع نظام الشرائح التناظرية ، فإن المحاكاة تكون أسرع من الأنظمة البيولوجية.

تطبيق محتمل آخر لهذه الرقائق ، تعديل التفاعل مع الأنظمة البيولوجية ، مثل الشبكية الاصطناعية والدماغ. في المستقبل ، يمكن أن تصبح هذه الرقاقات كتل قياسية لأجهزة الذكاء الاصطناعي ، كما يقول بون.