انقلاب علمی؛ ساخت کامپیوتر با سلول‌های مغزی انسان

سلول‌های مغزی انسان در قلب رایانه‌های آینده

زیست‌رایانه‌ شاخه‌ای نوظهور از فناوری‌های محاسباتی و علم پزشکی است که در آن، مواد زنده یا زیستی مانند دی‌ان‌ای، پروتئین‌ها و سلول‌های عصبی انسان یا حیوان به جای مدارها و تراشه‌های سیلیکونی به کار گرفته می‌شوند. هدف این فناوری، بهره‌گیری از قدرت پردازش طبیعی سلول‌های زنده برای انجام عملیات منطقی، تصمیم‌گیری یا حتی یادگیری خودکار است. در این روش، پژوهشگران سلول‌های عصبی را در محیط‌های ویژه آزمایشگاهی پرورش داده و آنها را به خوشه‌هایی میکروسکوپی به نام «ارگانوئیدهای مغزی» تبدیل می‌کنند.

این ارگانوئیدها در واقع مدل‌های ساده‌شده‌ای از مغز انسان‌اند که می‌توانند فعالیت‌های الکتریکی مشابه نورون‌های واقعی از خود بروز دهند. سپس دانشمندان این خوشه‌های سلولی را به شبکه‌ای از الکترودها و رابط‌های الکترونیکی متصل می‌کنند تا بتوانند ورودی‌ها را دریافت و خروجی‌های قابل اندازه‌گیری را درست مانند یک کامپیوتر کوچک تولید کنند. مزیت چشمگیر این سامانه‌ها در مصرف فوق‌العاده پایین انرژی و نیز توانایی یادگیری تطبیقی و پردازش موازی نهفته است.

نورون‌ها برخلاف ترانزیستورهای سیلیکونی، می‌توانند ارتباطات جدیدی بسازند، الگوها را تشخیص دهند و رفتار خود را با تجربه تغییر دهند. با وجود این زیست‌رایانه‌ها هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارند و فعلاً تنها از انجام وظایف بسیار ساده بر‌می‌آیند. به عنوان نمونه، در سال ۲۰۲۲ شرکت استرالیایی کورتیکال لبز (Cortical Labs) موفق شد سامانه‌ای از نورون‌های مصنوعی را آموزش دهد تا بازی کلاسیک پونگ (Pong) را انجام دهند. از دیگر نمونه‌ها می‌توان به Brainoware اشاره کرد، سامانه‌ای که سلول‌های زنده‌ مغزی را به یک رایانه‌ معمولی متصل می‌کند و توانسته قابلیت تشخیص پایه‌ای گفتار را نشان دهد.

به‌تازگی نیز در اوت ۲۰۲۵، محققان دانشگاه بریستول گزارش کردند که با استفاده از ارگانوئیدهای مغزی انسانی قادر شده‌اند حروف بریل را تشخیص دهند. تمرکز فعلی در بسیاری از آزمایشگاه‌های دانشگاهی و صنایع نوآور بر توسعه‌ «ترانزیستورهای زیستی» است؛ نورون‌هایی که بتوانند کارکردی مشابه عناصر منطقی رایانه، اما با انعطاف و ظرفیت سازگاری یک مغز زنده داشته باشند.

ارگانوئیدهای مغزی در خدمت محاسبات هوشمند

پژوهشگران سال‌هاست در تلاش‌ هستند تا به بازده خارق‌العاده‌ای که سلول‌های مغزی انسان در پردازش اطلاعات دارد نزدیک شوند؛ اندامی که با مصرف کمتر از ۲۰ وات انرژی (کمتر از یک لامپ خانگی) قادر است در هر ثانیه میلیاردها محاسبه و تصمیم عصبی انجام دهد. در مقابل حتی پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های امروزی برای دستیابی به توان محاسباتی مشابه، میلیون‌ها برابر انرژی بیشتر مصرف می‌کنند و همچنان در زمینه‌ کارایی زیستی با مغز فاصله‌ای عظیم دارند.

به گفته‌ بِرام سروِی، دانشجوی دکتری مهندسی پزشکی در دانشگاه ملبورن، ریشه‌های اصلی «محاسبات زیستی» به حدود پنج دهه پیش بازمی‌گردد. در آن دوران، دانشمندان برای نخستین‌بار سلول‌های عصبی را روی آرایه‌های الکترودی کوچک کشت دادند تا بتوانند رفتار الکتریکی نورون‌ها را ثبت و تحلیل کنند. این تلاش‌ها نخستین گام در مسیر پیوند زیست و فناوری بود. در دهه‌ ۲۰۰۰، دانشمندان موفق شدند شکل ابتدایی از ارتباط دوطرفه بین نورون‌ها و مدارات الکترونیکی را ایجاد کنند؛ همان نقطه‌ای که اصطلاح «محاسبات زیست–هیبریدی» به‌وجود آمد.

اما جهش بزرگ‌تر در سال ۲۰۱۳ و با ظهور فناوری ارگانوئیدهای مغزی رخ داد؛ ساختارهای سه‌بعدی و کوچک‌شده‌ای از بافت مغز که از سلول‌های بنیادی پرتوان رشد می‌کنند و می‌توانند شبکه‌های پیچیده‌ عصبی تشکیل دهند. امروزه از این ارگانوئیدها همراه با فناوری میکروفلوئیدیک یا همان «اندام روی تراشه» به‌طور گسترده در پژوهش‌های داروسازی، آزمایش داروهای عصبی و بررسی رشد مغزی انسان استفاده می‌شود.

هوش ارگانوئیدی، پدیده‌ای بحث‌برانگیز در آزمایشگاه‌ها

سال ۲۰۲۲ نقطه‌ عطف و در عین حال جنجالی در تاریخ این حوزه بود. شرکت استرالیایی کورتیکال لبز (Cortical Labs) در پژوهشی تاریخی نشان داد نورون‌های زنده درون ظرف آزمایش قادرند بازی کلاسیک پونگ (Pong) را یاد بگیرند و واکنش‌هایی مشابه رفتار یادگیری نشان دهند. بحث‌ها اما تنها علمی نبود؛ جنجال‌های اخلاقی و فلسفی حول این ادعا شدت گرفت که آیا سلول‌های عصبی می‌توانند چیزی شبیه به «احساس تجسمی» را تجربه کنند یا خیر. این اتفاق موجب شد برخی پژوهشگران اصطلاح تازه‌ «هوش ارگانوئیدی» را مطرح کنند که هرچند از نظر رسانه‌ای جذاب بود، اما از نظر علمی تا حدی گمراه‌کننده محسوب می‌شود، زیرا این سامانه‌های زیستی هیچ شباهتی به معماری محاسباتی یا هوش مصنوعی متعارف ندارند.

نورون‌ها در چنین ساختارهایی تنها سیگنال‌های الکتروشیمیایی تولید می‌کنند، بی‌آنکه از ادراک، ذهن یا خودآگاهی برخوردار باشند. در عین حال، این پیشرفت‌ها چالش‌های جدیدی را در حوزه‌ اخلاق زیست‌محاسبات به‌وجود آورده‌اند. ارگانوئیدهای مغزی هنوز در قوانین بسیاری از کشورها صرفاً به‌عنوان «ابزارهای آزمایشگاهی» یا «مدل‌های زیست‌پزشکی» طبقه‌بندی می‌شوند و مقررات مشخصی درباره‌ی حد و مرز استفاده، رشد یا محرک‌دادن به آن‌ها وجود ندارد.

همین خلأ موجب شده جامعه‌ علمی جهانی بر ضرورت تدوین چارچوب‌های اخلاقی جدید، شفاف و بین‌رشته‌ای تأکید کند تا پیشرفت علمی با اصول انسانی و فلسفی هماهنگ باشد. جالب آنکه حتی بدون هرگونه تحریک خارجی پیچیده، ارگانوئیدها می‌توانند الگوهای خود‌سازمان‌دهی و فعالیت‌های شبکه‌ای نسبتاً غیرقابل‌پیش‌بینی و پویا از خود بروز دهند که از منظر فیزیولوژی عصبی منحصربه‌فرد است اما هنوز با مفهوم آگاهی انسان فاصله‌ای بنیادین دارد.

رقابت جهانی برای ساخت رایانه‌های زنده؛ از فاینال اسپارک تا کورتیکال لبز

در سراسر جهان، از آمریکا و سوئیس تا چین و استرالیا، شرکت‌ها و دانشگاه‌ها در حال توسعه‌ پلتفرم‌های زیست‌ـ‌هیبریدی هستند تا مرز میان زیست‌شناسی و محاسبات را از میان بردارند. در این میان، دو شرکت پیشرو فاینال اسپارک (FinalSpark) که نخستین دسترسی آنلاین به شبکه‌های زنده‌ نورونی را برای پژوهشگران فراهم کرده، و کورتیکال لبز (Cortical Labs) که با سامانه‌ رومیزی CL‑1 امکان اجرای مستقیم آزمایش‌های محاسبات زیستی را فراهم آورده است، رهبران این عرصه هستند.

این شرکت‌ها علاوه بر جامعه‌ زیست‌پزشکی، به دنبال جذب پژوهشگران هوش مصنوعی نیز هستند، زیرا نورون‌های زنده ویژگی‌هایی نظیر تطبیق‌پذیری، مصرف ناچیز انرژی و یادگیری خودتنظیم دارند که هنوز در رایانه‌های سیلیکونی شبیه‌سازی نشده‌اند. بلندپروازی علمی نیز رو به گسترش است؛ به‌عنوان نمونه دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو قصد دارد تا سال ۲۰۲۸ از ارگانوئیدهای مغزی برای مدل‌سازی نشت نفت در اکوسیستم آمازون استفاده کند. چنین طرح‌هایی نشان می‌دهد که محاسبات زیستی می‌تواند در کاربردهای محیط‌زیستی و پیش‌بینی پیچیده هم نقش‌آفرین باشد.

در این حوزه، اولویت‌های کاری فوری شامل پیشرفت گام‌به‌گام، تکرارپذیری و توسعه مقیاس‌پذیر سامانه‌های نمونه است. به موازات آن، بسیاری از گروه‌ها سلول‌های مغزی انسان را جایگزینی بالقوه برای مدل‌های حیوانی در علوم اعصاب و سم‌شناسی می‌دانند. چارچوب‌هایی برای ارزیابی اثر مواد شیمیایی بر رشد اولیه‌ مغز نیز در حال شکل‌گیری است. در سطح بالینی، ترکیب نورون‌های زنده با سامانه‌های الکترونیکی چشم‌انداز جدیدی برای درک و پیش‌بینی فعالیت‌های مغزی مرتبط با صرع ایجاد کرده است.