دستاورد پژوهشگران: تراشه هیبریدی جدیدی که ۷۰ هزار سلول زنده مغزی دارد

محققان دانشگاه پرینستون یک پلتفرم محاسباتی زیستی پیشرفته توسعه داده‌اند که مرز میان سیستم‌های بیولوژیکی و سخت‌افزارهای دیجیتال را از بین می‌برد. این دستگاه جدید که 3D-MIND نام دارد، از یک مش الکترونیکی بسیار منعطف و ۷۰ هزار سلول زنده مغزی تشکیل شده است. این سیستم برخلاف مدل‌های پیشین که فقط با سطح سلول‌ها در تماس بودند، به عمق شبکه‌های عصبی سه‌بعدی نفوذ و امکان پایش و تحریک دقیق فعالیت‌های الکتریکی نورون‌ها را فراهم می‌کند.

«تیان-مینگ فو»، از اساتید مؤسسه علوم اعصاب پرینستون، معتقد است که بزرگ‌ترین مسئله هوش مصنوعی در سال‌های آینده، مصرف بالای انرژی است. درحالی‌که چت‌بات‌های هوش مصنوعی برای فعالیت به زیرساخت‌های بزرگ پرمصرف نیاز دارند، مغز انسان مشابه همان کارها را با مصرف فقط یک‌میلیونیم انرژی مورد نیاز سیستم‌های فعلی انجام می‌دهد. این تفاوت بزرگ، انگیزه ساخت 3D-MIND بود تا به‌جای شبیه‌سازی مغز روی تراشه‌های سیلیکونی، از خود سلول‌های مغزی برای پردازش‌ها استفاده شود.

توسعه تراشه زیستی با سلول‌های زنده مغزی

این دستگاه یک شبکه الکترونیکی سه‌بعدی دارد که درون خوشه‌های سلول‌های مغزیِ کشت‌شده در آزمایشگاه قرار می‌گیرد. به دلیل استفاده از مواد نرم با خواص مکانیکی مشابه بافت بیولوژیکی، سلول‌های مغزی نه‌تنها دستگاه را از خود نمی‌رانند، بلکه دور و داخل منافذ این توری الکترونیکی رشد می‌کنند. این ویژگی باعث ایجاد یک اتصال پایدار می‌شود که به دانشمندان اجازه می‌دهد تا فعالیت‌های عصبی را برای بیش از شش ماه بدون آسیب‌زدن به سلول‌ها ردیابی کنند. حسگرهای تعبیه‌شده در این مش وظیفه شنود سیگنال‌های عصبی را برعهده دارند و محرک‌ها نیز می‌توانند پیام‌های الکتریکی را به عمق شبکه عصبی ارسال کنند.

یکی از دستاوردهای مهم این پژوهش، اثبات برتری شبکه‌های عصبی سه‌بعدی نسبت به کشت‌های دوبعدی و تخت معمولی است. محققان دریافتند که ساختارهای سه‌بعدی دارای اتصالات غنی‌تر و ظرفیت محاسباتی بسیار بالاتری هستند. به لطف رابط 3D-MIND، تحریک و آموزش این شبکه‌های بیولوژیکی نسبت به روش‌های قدیمی دوبعدی، با سرعت و کارایی بسیار بیشتری انجام می‌شود. این موضوع راه را برای تولید سیستم‌های هوش مصنوعی الهام‌گرفته از مغز هموار می‌کند که مصرف انرژی ناچیزی دارند.

محققان کاربردهای این فناوری را فراتر از حوزه علوم کامپیوتر می‌دانند. این پلتفرم یک ابزار تحقیقاتی بی‌نظیر برای مطالعه نحوه شکل‌گیری و انطباق مدارهای عصبی در محیط‌های واقعی است. همچنین در حوزه پزشکی، می‌توان از این مدل‌های سه‌بعدی برای غربالگری دقیق‌تر داروها و بررسی ریشه‌های اختلالات عصبی در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی استفاده کرد.

پژوهشگران درحال‌حاضر روی ارتقای پیچیدگی این دستگاه متمرکز شده است. آن‌ها قصد دارند با افزودن تعداد بیشتری حسگر و الکترود، توانایی پایش دستگاه را افزایش دهند. همچنین ادغام این فناوری با روش‌های دیگر مانند تصویربرداری نوری در دستور کار قرار دارد تا تصویر کامل‌تری از فعالیت‌های پیچیده مغز به دست آید.

یافته‌های این پژوهش در ژورنال Nature Electronics منتشر شده است.