الذكاء العضوي: الحوسبة على الدماغ

بالتوازي مع التطورات الأخيرة في التعلم الآلي مثل GPT-4 ، اقترحت مجموعة من العلماء مؤخرًا استخدام الأنسجة العصبية نفسها ، التي نمت بعناية لإعادة إنشاء هياكل دماغ الحيوان ، كركيزة حسابية. بعد كل شيء ، إذا كان الذكاء الاصطناعي مستوحى من الأنظمة العصبية ، فما الوسيلة الأفضل للقيام بالحوسبة من الجهاز العصبي الفعلي؟ من خلال جمع التطورات من مجالات علوم الكمبيوتر ، والهندسة الكهربائية ، وعلم الأعصاب ، والفيزيولوجيا الكهربية ، وعلم العقاقير ، يقترح المؤلفون مبادرة بحثية جديدة يسمونها “الذكاء العضوي”.

OI هو جهد جماعي لتعزيز استخدام أعضاء الدماغ – كتل كروية صغيرة من أنسجة المخ تنمو من الخلايا الجذعية – للحوسبة ، وأبحاث الأدوية ، وكنموذج لدراسة كيفية عمل الدماغ الكامل على نطاق صغير. بعبارة أخرى ، توفر العضويات فرصة لفهم الدماغ بشكل أفضل ، وتهدف OI إلى استخدام هذه المعرفة لتطوير أنظمة حسابية بيولوجية عصبية تتعلم من بيانات أقل وبطاقة أقل من أجهزة السيليكون.

أصبح تطوير العضويات ممكنًا من خلال اثنين من الاختراقات في الهندسة الحيوية: الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات وتقنيات زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد.

بأخذ المجال الحالي للحوسبة العصبية ، حيث يتم دراسة بنية الخلايا العصبية والصلات بينها وتقليدها في هياكل السيليكون ، يوسع OI التشابه الهندسي مع فرصة لبرمجة السلوكيات المرغوبة مباشرةً في نشاط إطلاق النار لثقافات خلايا الدماغ الحيوانية.

يبلغ قطر العضيات عادة 500 ميكرون ، وهي سماكة ظفرك تقريبًا. يقول الباحثون إنه مع تطور أشباه العضويات ، تبدأ الخلايا العصبية المكونة للعضويات في الترابط في شبكات وأنماط نشاط تحاكي هياكل مناطق الدماغ المختلفة. أصبح تطوير مجال العضيات ممكنًا من خلال اثنين من الاختراقات في الهندسة الحيوية: الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (IPSCs) وتقنيات زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد. IPSCs هي خلايا جذعية – قادرة بشكل ملحوظ على التطور إلى أي خلية موجودة في جسم الحيوان – يتم إنشاؤها عن طريق تحويل خلية بالغة إلى الخلية الجذعية. يتم بعد ذلك إقناع هذه الخلايا الجذعية المستحثة كيميائيًا في الخلايا العصبية والدبقية المحددة اللازمة لبناء عضوي معين. تسمح طرق السقالات ثلاثية الأبعاد التي تم تطويرها مؤخرًا لعلماء الأحياء بتنمية الأنسجة العصبية المشتقة من iPSC عموديًا وأفقيًا ، مما يسمح للعضويات بتطوير الشبكات الداخلية التي تُرى في دماغ الحيوان. لقد درس العلماء الثقافات ثنائية الأبعاد لعقود من الزمن ، لكن الأنسجة أحادية الطبقة غير قادرة على النمو لتصبح شبكات شبيهة بالدماغ بالطريقة التي يمكن أن تنمو بها العضويات.

تجعل الشبكات العضيات نموذجًا قويًا لفهم واستغلال ديناميكيات نشاط الدماغ. يستخدم Jens Schwamborn ، أستاذ علم الأحياء الخلوي والنمو في جامعة لوكسمبورغ ، العضيات لدراسة تطور الاضطرابات العصبية مثل مرض باركنسون. قمنا بتلخيص الملامح الرئيسية لعلم الأمراض. قال شوامبورن ، الذي طور مختبره نموذجًا عضويًا لمرض باركنسون ، “يمكننا أن نرى فقدان الخلايا العصبية الدوبامينية ، ونرى ظهور مجاميع البروتين ذات الصلة بالمرض”. تسمح هذه المنصات لهم بدراسة مرض باركنسون على نطاق صغير. التطور في سياق شبكة خلوية لا تستطيع الثقافات أحادية الطبقة: “هذه هي الميزة الرئيسية. يمكننا أن نرى سمات المرض التي نعلم أنها تحدث في المرضى ولكن حتى الآن لم نتمكن من تلخيصها في المختبر. الآن ، أخيرًا ، يمكننا أن نفعل الذي – التي.”

نحن لا نعلم الخلايا كيف تفعل ذلك. [Organoids] في نهاية المطاف مع تنظيم الهياكل في الدماغ. أعتقد أن هذه هي القوة: القوة الحسابية تأتي من تلك المنظمة “.
—أليسون موتري ، جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو

تمامًا كما أن العضيات نفسها هي نتاج تطورات الهندسة الحيوية ، فإن فائدتها كنماذج للوظيفة العصبية هي نتاج العديد من الابتكارات البيوكيميائية الأخرى – الفيزيولوجيا الكهربية والموائع الدقيقة. يمكن للباحثين الآن توجيه نمو العضيات بشكل أكثر موثوقية ودقة مما كان يمكن حتى قبل نصف عقد من الزمان ، ويمكنهم استخدام هذه الخصوصية لإنشاء عضيات تحاكي بنية الشبكة والتركيب الخلوي للبنى القشرية وتحت القشرية المحددة. يعتقد أليسون موتري ، أستاذ طب الأطفال والطب الجزيئي بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، أن هذه الهياكل قد تزودهم بقدرات معالجة المعلومات في أنسجة المخ. “في الأبعاد الثلاثية ، ترى كل هذه التنظيمات الإضافية التي لا تراها في الأبعاد الثنائية. هذا مشفر وراثيا. نحن لا نعلم الخلايا كيف تفعل ذلك. ينتهي بهم الأمر مع تنظيم الهياكل في الدماغ. أعتقد أن هذه هي القوة: القوة الحسابية تأتي من تلك المنظمة “.

كما أن وجود عضويات متسقة ومستدامة يسمح للعلماء بإجراء قياسات ذات مغزى لنشاط الخلايا العصبية داخلها. مصفوفات الأقطاب المتعددة (MEAs) عبارة عن لوحات من أقطاب كهربائية صغيرة قادرة على قياس وتحفيز النشاط الكهربائي للخلايا العصبية بالقرب من سطح العضوي. إن الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف المرنة التي يمكن أن تلتف حول كتلة عضويّة قادرة على التسجيل من السطح بأكمله ، بدلاً من الطبقة السفلية فقط من الخلايا العصبية الملامسة لطبق بتري. من خلال تحليل هذه التسجيلات ، يمكن للعلماء أن يستنتجوا كيف تتحدث كل هذه الخلايا العصبية مع بعضها البعض. من خلال مجموعة من تقنيات معالجة الإشارات تسمى النمذجة السببية ، يمكن للباحثين إنتاج خرائط للوصلات بين الخلايا العصبية التي تؤلف شبكات من البنية الوظيفية العضوية. يمكن بعد ذلك استخدام خرائط الشبكة هذه لتتبع كيفية معالجة المعلومات بواسطة الكتلة النامية للأنسجة العصبية.

من خلال تكييف مجموعات الخلايا العصبية داخل العضيات للاستجابة بشكل متسق ومتوقع لمدخلات كهربائية محددة ، يفترض العلماء أنه يمكنهم تحويل أنظمة أورجانويد إلى وحدات معالجة عضوية قد تستفيد من قدرات معالجة المعلومات الظاهرة للأنسجة العصبية لإنشاء أنظمة حوسبة مرنة وقوية.

تقوم شركة Cortical Labs ، وهي شركة ناشئة في مجال التكنولوجيا الحيوية مقرها ملبورن ، بإطلاق Dishbrain ، وهي أول منصة حوسبة بيولوجية عصبية قابلة للتدريب. تهدف الشركة إلى توفير ثقافات عصبية أحادية الطبقة ثنائية الأبعاد قابلة للبرمجة – والتي ثبت بالفعل أنها تتعلم بشكل موثوق أنماط الإدخال / الإخراج الرقمية مثل لعب لعبة الفيديو الكلاسيكية بونغ – للمستخدمين النهائيين كخدمة سحابية. يقول بريت كاغان ، كبير مسؤولي العلوم في الشركة ، إن الشركة تخطط لتشغيل الخدمة بحلول نهاية العام: “يجب أن يكون لدينا ، قبل نهاية هذا العام ، نظام تجريبي للأشخاص ليكونوا قادرين على ذلك ، إما عن طريق السحابة أو من خلال الشراكة معنا للاستخدام الداخلي ، وتسجيل الدخول والتمكن من تشغيل بيئات أساسية للغاية “.

في حين أن أنظمة الحوسبة العضوية على الرقاقة المماثلة غير متوفرة بعد ، فإن فريق OI متفائل بشأن معدل تقدمها. يعتقد البروفيسور موتري أننا قد نشهد تطوير أنظمة الحوسبة العضوية خلال العقد: “قد نرى نموذجًا أوليًا في العامين أو الثلاثة أعوام القادمة” ، كما قال. “لكي تصبح الأشياء أكثر قابلية للتكرار ، مع جميع الأدوات التي سنحتاجها – سيكون ذلك لمدة 5 أو 10 سنوات.”

تم نشر بحث المجموعة مؤخرًا في المجلة الحدود في علم الأعصاب.