شاید تصور آن سخت باشد، اما یک شرکت سوئیسی کامپیوتری را اختراع کرده است که از سلول‌های مغز انسان زنده ساخته شده و از نورون‌های مغز انسان برای ارسال، دریافت سیگنال‌ها و پردازش داده‌ها استفاده می‌کند. این اندام‌های مغز مانند می‌توانند 100 روز زنده بمانند و 1 میلیون برابر کمتر از پردازنده‌های سنتی انرژی مصرف کنند و به طور بالقوه بحران انرژی ناشی از انفجار مدل‌های زبانی هوش مصنوعی را حل کنند. به نظر می رسد که شبکه های عصبی مصنوعی هنوز به اندازه شبکه های عصبی بیولوژیکی کارآمد نیستند.

در سال‌های اخیر، با توسعه سریع فناوری هوش مصنوعی (AI)، دانشمندان سعی کرده‌اند با ساخت شبکه‌های عصبی مصنوعی برای افزایش قابلیت‌های محاسباتی، مغز انسان را تقلید کنند. با این حال، با پیچیده تر شدن شبکه های عصبی مصنوعی، انرژی مورد نیاز آنها نیز در حال افزایش است. تخمین زده می شود که تا سال 2030، آنها 3.5 درصد از برق جهان را مصرف کنند. Huang Renxun، بنیانگذار NVIDIA، حتی پیشنهاد کرد که هوش مصنوعی به انرژی معادل سوزاندن 14 زمین نیاز دارد.

دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای کاهش مصرف انرژی هوش مصنوعی بوده‌اند و دریافتند که مغز ما از قبل یک راه‌حل آماده دارد: استفاده از سلول‌های مغز واقعی انسان برای ساخت شبکه‌های عصبی مصنوعی. به هر حال، آموزش مدل‌های زبانی مانند GPT-3 به 10 گیگاوات ساعت انرژی نیاز دارد، در حالی که مغز انسان تنها به 0.3 کیلووات ساعت در روز برای تامین انرژی 86 میلیارد نورون که 24 ساعت کار می‌کنند، نیاز دارد.

با الهام از این موضوع، یک شرکت نوپا سوئیسی به نام FinalSpark از سلول‌های مغز زنده به عنوان یک آرایه محاسباتی استفاده کرد، آنها را به رایانه‌ها متصل کرد و روش جدیدی را ایجاد کرد که زیست‌شناسی و فناوری محاسباتی را با هم ترکیب می‌کند: پلتفرم رایانه بیولوژیکی سیستم Neuroplatform. این سیستم نسبت به کامپیوترهای مبتنی بر بیت سنتی انرژی بسیار کمتری مصرف می کند.

پلت فرم کامپیوتری بیولوژیکی FinalSpark 16 خوشه سلولی مغز انسان را که در آزمایشگاه رشد کرده اند، معروف به ارگانوئیدها، به هم متصل می کند، که هر کدام در یک آرایه قرار دارند و از طریق هشت الکترود با سیستم های خارجی در ارتباط هستند. یک سیستم میکروسیال، این ارگانوئیدها را با آب و مواد مغذی برای حفظ عملکردهای بیولوژیکی آنها تامین می کند. این رویکرد که به عنوان محاسبات مرطوب‌افزاری شناخته می‌شود، از قابلیت‌های ارگانوئیدهای کشت‌شده در آزمایشگاه استفاده می‌کند – فناوری که در سال‌های اخیر ظهور کرده است و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا کپی‌های مینیاتوری اندام‌های فردی را مطالعه کنند.

به عبارت ساده، سلول های عصبی در ظروف کشت قرار می گیرند و با استفاده از محیط رشد نورون پرورش می یابند و به توپ های مغزی (ارگانوئیدهای پیشانی، FO) با قطر 2.5 میلی متر رشد می کنند. سپس آنها روی یک آرایه چند الکترودی (MEA) متشکل از هشت الکترود قرار می‌گیرند که به یک سیستم تست الکتروفیزیولوژیکی قابل دسترسی از راه دور متصل می‌شوند. تعاملات و کنترل ها از طریق یک رابط کاربری سفارشی شده یا اسکریپت های پایتون مدیریت می شوند.

اما چگونه محاسبه می کند؟ کلید در هشت الکترود زیر هر توپ مغز نهفته است. دانشمندان با اعمال محرک‌های الکتریکی با شدت و فرکانس متفاوت، با دوپامین، فعالیت نورون‌ها را در ارگانوئیدها القا می‌کنند و سپس سیگنال‌های الکتریکی نورون‌ها را ضبط می‌کنند. این سیگنال ها مشابه پردازش داده ها در شبکه های عصبی مصنوعی برای تجزیه و تحلیل و پردازش به رایانه ها منتقل می شوند.

پلتفرم رایانه بیولوژیکی FinalSpark دارای چهار آرایه چند الکترودی است که به 16 ارگانوئید مغز متصل هستند. با توجه به طول عمر محدود این ارگانوئیدها که می تواند تا 100 روز در شرایط بهینه دوام بیاورد، دانشمندان طی سه سال گذشته بیش از 1,000 ارگانوئید مغزی را کشت و جایگزین کرده اند و بیش از 18 ترابایت داده جمع آوری کرده اند.

البته، FinalSpark اولین تیمی نیست که تلاش می کند کاوشگرها را به سیستم های بیولوژیکی متصل کند. در سال 2023، محققان در ایالات متحده یک بیوپروسسوری ساختند که سخت افزار کامپیوتر را با ارگانوئیدهای مغزی متصل می کند و به آن یاد می دهد که الگوهای گفتار را تشخیص دهد.

در حال حاضر، پلت فرم کامپیوتر بیولوژیکی FinalSpark عمدتاً برای اهداف تحقیقاتی استفاده می شود و به صورت رایگان برای گروه های دانشگاهی خارجی در دسترس است. چهار پروژه قبلاً با استفاده از این پلت فرم به نتایج قابل توجهی دست یافته اند. با این حال، FinalSpark قصد دارد قابلیت‌های این پلتفرم را برای مدیریت طیف وسیع‌تری از پروتکل‌های آزمایشی محاسباتی مرطوب‌افزار، مانند آزمایش با تزریق مولکول‌ها و داروها به ارگانوئیدها، گسترش دهد. این نشان می‌دهد که کاربردهای بالقوه این فناوری فراتر از روش‌های محاسباتی کارآمدتر است و می‌تواند تحقیقات ارگانوئیدی را نیز پیش ببرد.

بیوکمپیوترهای ساخته شده از بافت مغز انسان، برتری های خاصی را در طراحی طبیعی، به ویژه از نظر کارایی انرژی، نشان می دهند. این تحقیق نه تنها درک سنتی ما از محاسبات و هوش مصنوعی را به چالش می‌کشد، بلکه فرصت‌های جدیدی را برای ادغام زیست‌شناسی و فناوری باز می‌کند. علیرغم ملاحظات اخلاقی (این مطالعه از خطوط سلولی تثبیت شده تجاری در دسترس استفاده می کند، بنابراین نیازی به تایید اخلاقی نیست)، مزایای بالقوه این فناوری زیست کامپیوتری در بهره وری انرژی و ظرفیت محاسباتی غیرقابل انکار است. تحقیقات آینده کاربردهای بیشتری از این فناوری را نشان خواهد داد که ممکن است نقش مهمی در رسیدگی به بحران انرژی جهانی داشته باشد.

من احساس می کنم که این نوع کامپیوتر ممکن است پیچیده تر از آن چیزی باشد که به نظر می رسد. این به طور بالقوه می‌تواند یک ادغام نزدیک‌تر، اگر نگوییم یکپارچه‌تر، بین مغز انسان و رایانه‌ها، ایجاد نوع جدیدی از انسان‌های بیوهیبریدی پیشرفته را امکان‌پذیر کند و انسان‌های اصلاح‌نشده را بسیار پشت سر بگذارد. آیا تکامل انسان به یک دوراهی حساس رسیده است؟ آنچه در آینده خواهد داشت ناشناخته است و کسانی که می دانند ممکن است دیگر انسان تلقی نشوند.

این تحقیق در 2 می در مجله Frontiers in Artificial Intelligence منتشر شد.