مهندسها در دانشگاه ماساچوست امهرست نورونی مصنوعی ساختهاند که برای اولین بار میتواند به صورت مستقیم و با الگوی الکتریکی بسیار کمصدا (کمولتاژ و کممصرف) با یک نورون بیولوژیک ارتباط برقرار کند. این ارتباط «حرفزنی آهسته» به لحاظ دامنه ولتاژ و مصرف انرژی بسیار شبیه ارتباط بین نورونهای طبیعی است و گامی مهم در نزدیکتر کردن مرز میان مغز و کامپیوتر به شمار میآید.
زمینه علمی و جزئیات تجربی
به گزارش سایت نیچر، پژوهشگران به رهبری جون یائو (Jun Yao) اعلام کردند که نسخه جدید نورون مصنوعی تنها حدود 0.1 ولت ثبت میکند؛ مقداری که تقریباً با ولتاژهای رایج در نورونهای بدن انسان همتراز است. نسخههای قبلی نورون مصنوعی معمولاً نیازمند ولتاژ حدود 10 برابر و توان حدود 100 برابر بیشتر بودند که باعث میشد «پیامرسانی» مصنوعی بسیار پر سر و صدا و پرمصرف باشد.
روش و تکنولوژی کلیدی
کلید این پیشرفت استفاده از نانوسیمهای پروتئینی (protein nanowires) تولیدشده توسط باکتریها است. این ساختارهای طبیعی بهخوبی در محیطهای مرطوب که شرایط نورونهای زیستی را تقلید میکنند، پایدار میمانند. بهدلیل منشاء زیستی، این نانوسیمها رسانایی و بایوسازگاری لازم برای انتقال سیگنالهای الکتریکی با دامنه پایین را فراهم میکنند.
یافتهها و اهمیت آنها
یائو میگوید: «نسخههای قبلی نورون مصنوعی مثل این بود که با فریاد با نورون انسانی حرف بزنیم؛ این فریاد انرژی زیادی مصرف میکند و ممکن است گیرنده را اشباع کند.» اما نورون جدید عملاً میتواند «نجوا» کند: اطلاعات الکتریکی بین دو سلول با ولتاژ و توان مشابه سیستمهای زیستی منتقل میشود. این توانایی به پژوهشگران امکان میدهد دستگاههای neuromorphic — مدارهایی که شبیه مغز عمل میکنند — را با دقت و کارایی بالاتر توسعه دهند.
پیامدها و چشماندازها
یک کاربرد فوری این فناوری در حسگرهای پوشیدنی و سامانههای پایش بیولوژیک است. امروز اغلب حسگرها باید سیگنالهای ضعیف زیستی را تقویت کنند تا کامپیوترها قادر به پردازش آنها باشند؛ مرحله تقویت، مصرف انرژی و پیچیدگی مدارها را افزایش میدهد. اگر حسگرها بر پایه نورونهای کمولتاژ ساخته شوند، ممکن است حذف مرحله تقویت و کاهش چشمگیر مصرف انرژی ممکن شود.
از نظر آیندهپژوهی، این کار میتواند در توسعه رابطهای مغز-ماشین دقیقتر، ایمپلنتهای عصبی با مصرف انرژی پایین و سیستمهای محاسباتی نوظهور neuromorphic تأثیرگذار باشد. با این حال، آزمایشها هنوز در سطح کنترلشده آزمایشگاه هستند و نیاز به بررسیهای زیستسازگاری، پایداری طولانیمدت و ایمنی قبل از کاربردهای بالینی گسترده وجود دارد.
نتیجهگیری
ساخت نورونی مصنوعی که بتواند با ولتاژ و مصرف انرژی نزدیک به نورونهای طبیعی «نجوا» کند، نقطه عطفی در زمینهی رابطهای زیستی-الکترونیکی است. استفاده از نانوسیمهای پروتئینی منشاداری که در محیطهای مرطوب پایدار میمانند، راه را برای ادغام نرمتر بین سیستمهای زیستی و الکترونیکی باز میکند و افقهای جدیدی برای حسگرهای پوشیدنی کممصرف، رابطهای مغز-ماشین و محاسبات neuromorphic میگشاید.