در روزگاری که غولهای فناوری میلیاردها دلار صرف ساخت مراکز داده عظیم و سوزاندن مگاواتها برق برای پردازش مدلهای زبانی میکنند، گروهی از دانشمندان بیسروصدا مسیر متفاوتی را در پیش گرفتهاند. آنها بهجای حک ترانزیستورهای ریزتر روی ویفرهای سیلیکونی، به سراغ پیچیدهترین و کارآمدترین ماشین پردازشی تاریخ یعنی مغز انسان رفتهاند. «هوش ارگانوئیدی» (Organoid Intelligence) یا محاسبات زیستی جایی است که مرز میان زیستشناسی و سختافزار کاملاً محو میشود.
وقتی سیلیکون به بنبست میرسد: چرا به هوش زیستی نیاز داریم؟
برای اجرای یک مدل هوش مصنوعی مدرن که بتواند متنی شبیه به انسان تولید کند، به انبوهی کارت گرافیک و تجهیزات گرانقیمت نیاز داریم که به اندازه یک نیروگاه کوچک برق مصرف میکنند. در طرف مقابل طبیعت میلیاردها سال پیش معماری بسیار بهتری را برای پردازش دادهها مهندسی کرده که همان مغز انسان است.
مغز ما با ۸۶ میلیارد نورون و مصرف تنها ۲۰ وات انرژی (کمتر از یک لامپ کممصرف خانگی) همزمان رانندگی میکند، شعر میگوید، چهرهها را در کسری از ثانیه تشخیص میدهد، معادلات ریاضی حل میکند و حتی به بحرانهای وجودی خودش فکر میکند.
قانون مور که دههها ستون فقرات پیشرفت در دره سیلیکون بود، به دیوارهای سخت قوانین فیزیک و کوانتوم برخورد کرده است. ترانزیستورها آنقدر کوچک شدهاند که الکترونها از میان آنها نشت میکنند و هزینه خنکسازی سرورها سر به فلک میکشد.
پاسخ گروهی از محققان به این چالش پدیدهای به نام «هوش ارگانوئیدی» است. دانشمندان بهجای ساختن کدهای نرمافزاری که رفتار شبکههای عصبی را تقلید میکنند، به سراغ شبکههای عصبی واقعی رفتهاند. آنها معتقدند که مغز از ابتدا برای یادگیری، سازگاری، خودترمیمی و پردازش بسیار کممصرف تکامل یافته است. ایدهشان هم ساده و درعینحال شگفتانگیز است: کشت سلولهای عصبی انسان در محیط آزمایشگاه و اتصال مستقیم آنها به سیستمهای پردازشی برای حل مسائلی که سوپرکامپیوترهای امروزی را به زانو درمیآورند.
چطور یک تکه پوست به ریزپردازنده زنده تبدیل میشود؟
شاید در نگاه اول شبیه صحنهای از فیلم «هری پاتر» به نظر برسد، اما فناوری پشت ساخت ارگانوئیدهای مغزی واقعی، مستند و قابل تکرار است. همهچیز با پیشرفتی بزرگ در زیستشناسی سلولی آغاز شد که کشف سلولهای بنیادی پرتوان القایی (iPSC) بود.
پژوهشگران میتوانند نمونه بسیار کوچکی از سلولهای پوست، ریشه مو یا حتی نمونه خون یک فرد بزرگسال را بگیرند. این سلولها با تزریق چند پروتئین کلیدی، از نظر ژنتیکی به گذشته برمیگردند؛ یعنی حافظه سلولی آنها پاک میشود و دوباره به حالت جنینی بازمیگردند.
سلولهای بنیادی ریستشده، پتانسیل تبدیل شدن به هر بافتی در بدن انسان را دارند. اگر آنها را با سیگنالهای شیمیایی خاصی هدایت کنید، میتوانند به سلولهای قلب درحال تپش یا سلولهای عصبی تبدیل شوند که آماده ارسال پالسهای الکتریکی هستند.
وقتی این نورونها در مایع مغذی با دمای ۳۷ درجه سانتیگراد (مشابه دمای رحم مادر) قرار میگیرند، اتفاقی جادویی رخ میدهد. نورونها ذاتاً موجوداتی اجتماعی هستند. آنها نمیتوانند در انزوا زندگی کنند. به محض اینکه کنار هم قرار میگیرند، زائدههای ظریفی به نام اکسون و دندریت به اطراف میفرستند، بهدنبال همنوعان خود میگردند، با یکدیگر پیوندهای سیناپسی برقرار میکنند و شروع به تبادل سیگنالهای الکتریکی میکنند.
نتیجه این خودسازماندهی، تودهای کروی از بافت زنده به اندازه دانه کنجد است که حاوی چند میلیون سلول عصبی است. این ساختارها را «ارگانوئید مغزی» یا به زبان سادهتر، مینیمغز مینامند. این تودهها چشم، گوش یا حس آگاهی ندارند، اما از نظر فعالیت الکتریکی و الگوهای نوسانی، امواجی تولید میکنند که با امواج مغزی یک نوزاد نارس برابری میکند.
نورونهای کارگر و زیرساخت سلولی
ارگانوئید مغزی که در آزمایشگاه پرورش مییابد، حدود ۵ میلیون سلول دارد. اما همه این ۵ میلیون سلول قرار نیست کار پردازش را انجام دهند. دقیقاً نیمی از آنها (یعنی ۲.۵ میلیون) نورون هستند.
نیمه دیگر را «سلولهای گلیال» (Glial cells) تشکیل میدهند. اگر نورونها را کارمندان پرجنبوجوش یک اداره در نظر بگیریم که مدام درحال ردوبدل اطلاعات هستند، سلولهای گلیال حکم زیرساخت و داربستی را دارند که این ساختار را سر پا نگه میدارد.
برای اینکه توده سلولی با دنیای بیرون و کامپیوترها حرف بزند، دانشمندان آنها را روی ورقههای رسانای فوقپیشرفتهای از جنس «گرافن» قرار میدهند. گرافن بهعنوان یک رابط بدون نقص، اجازه میدهد سیگنالهای الکتریکی با دقتی بینظیر به ارگانوئید ارسال شوند و واکنش آن خوانده شود.
نورونهایی که گیم بازی میکنند
شاید بپرسید یک توده سلول شناور در مایع چطور میتواند اطلاعات را پردازش کند؟ جواب در ارائه پاداش و تنبیه الکتریکی است. مغز انسان دائماً در حال دریافت اطلاعات از محیط و واکنش به آن است. ارگانوئیدها در ظرف آزمایشگاه هیچ محیطی برای درک کردن ندارند، بنابراین دانشمندان محیط را برای آنها شبیهسازی میکنند.
براساس «اصل انرژی آزاد» و مفهوم «استنتاج فعال» از عصبشناس برجسته «کارل فریستون»، سیستمهای بیولوژیکی تمایل دارند غافلگیری و آشفتگی را به حداقل برسانند. محققان شرکت استرالیایی «کورتیکال لبز» (Cortical Labs) بر همین مبنا اولین هوش مصنوعی بیولوژیکی را با سلولهای زنده انسانی راهاندازی کردند.
آنها نورونها را روی یک چیپ قرار دادند و آنها را به بازی کلاسیک «پونگ» (همان بازی ساده تنیس دو بعدی) متصل کردند. وقتی نورونها به درستی راکت را حرکت میدادند و توپ را میزدند، یک سیگنال الکتریکی منظم و قابل پیشبینی دریافت میکردند (پاداش). اما اگر توپ را از دست میدادند، با یک پالس الکتریکی آشفته و تصادفی بمباران میشدند (تنبیه).
نتیجه خیرهکننده بود. نورونها خیلی زود متوجه شدند که برای جلوگیری از پالسهای آزاردهنده، باید یاد بگیرند راکت را درست حرکت دهند. آنها شبکههای ارتباطی خود را تغییر دادند و شروع به بازی کردند. همین نورونها تا جایی ارتقا پیدا کردند که محققان درحال آموزش بازی ویدیویی شوتر «دوم» (Doom) به آنها هستند.
این کامپیوترهای زیستی برخلاف مدلهای هوش مصنوعی دیجیتال که نیاز به میلیونها نمونه داده برای یادگیری دارند، تنها با چند تکرار بلادرنگ سازگار میشوند و کارایی خود را بالا میبرند.
کاربردهای فراتر از بازی: از آزمایش داروها تا رکوردشکنیهای زیستی
شاید تصور کنید این دستاورها صرفاً روی کاغذ است اما همین حالا بستر بیولوژیکی CL-1 شرکت کورتیکال از طریق فضای ابری در دسترس است. محققان میتوانند از هر کجای دنیا با استفاده از کتابخانههای پایتون کدهای خود را روی سلولهای زنده مستقر در استرالیا اجرا کنند؛ پدیدهای نوظهور که مفهوم رایانش ابری را از سرورهای سیلیکونی به مخازن زنده نورونی پیوند میزند.
یکی از رازهای تاریک صنعت داروسازی این است که ۹۵ درصد از داروهای اعصاب و روان در مرحله آزمایشهای بالینی انسانی با شکست مواجه میشوند. دلیلش ساده است: ما داروها را روی موشها یا میمونها آزمایش میکنیم، اما مغز انسان تفاوتهای بنیادینی با آنها دارد.
حالا تصور کنید بهجای سوراخ کردن جمجمه موشها، میتوان ارگانوئیدهایی را با استفاده از سلولهای خود بیماران مبتلا به آلزایمر، اوتیسم یا اسکیزوفرنی رشد داد و تأثیر داروها را مستقیم روی بافت زنده انسانی سنجید.
این ارگانوئیدها میتوانند سالها زنده بمانند. برای مثال در یک رکوردشکنی بیسابقه، ارگانوئیدهای مغز انسان در آزمایشگاه ۷ ساله شدند. این نمونهها به دانشمندان نشان دادند که ساعت ژنتیکی سلولها حتی در بیرون از بدن نیز به کار خود ادامه میدهد
اگر ارگانوئیدی یاد گرفته باشد براساس سیگنالهای الکتریکی یک مانع را در یک بازی ویدیویی ساده رد کند، محققان میتوانند داروی جدید آلزایمر را به ظرف آن تزریق کنند و ببینند آیا حافظه ارگانوئید برای پریدن از روی مانع تقویت میشود یا خیر. این یعنی تستهای A/B بیولوژیکی در کارآمدترین شکل ممکن.
سد محکم ۵ میلیمتری و چالش نکروز
در بافت مغز طبیعی شبکه متراکمی از رگهای خونی (سیستم عروقی) وظیفه رساندن مداوم اکسیژن و گلوکز به تکتک نورونها و دفع مواد زائد متابولیک را برعهده دارند؛ اما ارگانوئیدها در حالت عادی نمیتوانند بیشتر از ۵ میلیمتر رشد کنند.
وقتی حجم توده از این مقدار بیشتر میشود، سلولهای مرکزی آن دچار پدیدهای به نام «هسته نکروتیک» (Necrotic core) میشوند؛ یعنی چون رگهای خونی وجود ندارند که اکسیژن را به مرکز توده برسانند، مرکز ارگانوئید به معنای واقعی کلمه خفه میشود و میمیرد.
زیستشناسان قرار نیست تسلیم این محدودیت ۵ میلیمتری شوند. درحالحاضر مسابقهای جذاب در حوزه نانوتکنولوژی در جریان است. محققان دانشگاه «جانز هاپکینز» درحال توسعه شریانهای مصنوعی بیومیمتیک (زیستتقلید) هستند. همزمان تیمهای دیگر درحال پرورش نوع خاصی از ارگانوئیدهای «اندوتلیال» (Endothelial) هستند؛ سلولهایی که وظیفه اصلیشان ساخت شبکههای خونی ابتدایی است.
اگر آنها بتوانند این رگهای مصنوعی یا زیستی را به ارگانوئیدهای مغزی پیوند بزنند، سیستم پرفیوژن (خونرسانی) برقرار شده و تولید ارگانوئید یک سانتیمتری (اندازه مغز کامل یک موش) ممکن میشود.
کابوسهای اخلاقی؛ آیا هوش زیستی زجر میکشد؟
ورود به قلمروی بافتهای زنده پردازشی، پرسشهایی را مطرح میکند که دانشمندان علوم کامپیوتر هرگز با آنها مواجه نبودهاند. در دنیای نرمافزار اگر کدی دچار باگ شود یا پردازش متوقف شود، اتفاقی جز یک خطای سیستمی رخ نمیدهد؛ هیچ تراشهای درد نمیکشد و هیچ مدار سیلیکونی رنج نمیبرد. اما وقتی درباره چند میلیون نورون انسانی صحبت میکنیم که به محرکهای بیرونی واکنش نشان میدهند، چه اتفاقی میافتد؟
وقتی سلولهای پوست دست یک فرد تبدیل به شبکهای عصبی میشود که برای خودش سیگنال میفرستد و تصمیم میگیرد، دیگر نمیتوان گفت آن سلولها صرفاً متعلق به آن فرد هستند. آنها هویتی مستقل پیدا کردهاند؛ هویتی که در یک استکان شیشهای، درحال پردازش اطلاعات است.
زیستشناسان برخلاف فلاسفه به راحتی کلمه «آگاهی» را به زبان نمیآورند. از نظر آنها آگاهی بدون داشتن یک بدن و تجربه زیسته از جهان بیرون، بیمعنی است. اگر تمام عمرتان را در یک ظرف شیشهای معلق بوده باشید، چه تصوری از «آگاهی» میتوانید داشته باشید؟ از طرفی محدودیت ۵ میلیمتری ارگانوئیدها هم فعلاً خیال فیلسوفان اخلاق را راحت کرده است.
در آخر؛ کدام مسیر را باید انتخاب کنیم؟
ما انسانها موجودات کنجکاوی هستیم. دوست داریم دوربین برداریم و به اعماق اقیانوسها برویم یا تلسکوپ بسازیم و به لبه کهکشان خیره شویم. همین فضولی بیحدوحصر باعث شده بهجای نگاه به بیرون، به درون خودمان خیره شویم و سعی کنیم از قطعات سازنده وجودمان، ابزارهای جدید بسازیم.
حالا ما در آستانه یک دوراهی بزرگ در تاریخ محاسبات ایستادهایم. مسیر اول امتداد همان جادهای است که سیلیکونولی دهههاست در آن میتازد: ساخت سرورهای عظیمتر، مصرف سرسامآور انرژی و شبیهسازی هوش با فرمولهای آماری و ریاضی. این سیستمها بدون شک توانمند هستند، اما درنهایت تقلیدی گرانقیمت از ساختاری هستند که در مغز انسان رخ میدهد.
مسیر دوم اما انعطافپذیر، ارگانیک و برآمده از دل زیستشناسی است. هوش ارگانوئیدی به جای شبیهسازی، خود مغز را به کار میگیرد. این فناوری نه تنها نویدبخش کامپیوترهایی با مصرف انرژی نزدیک به صفر و قدرت پردازش بالا در تحلیل الگوهای پیچیده است، بلکه عمیقترین رازهای ذهن انسان، حافظه و بیماریهای عصبی را پیش روی ما باز میکند.
کسی چه میداند؛ شاید دیتاسنترهای آینده شبیه لابراتورهای شیکی باشند که در آن بیوکامپیوترها در مایعات مغذی غوطهورند و محاسبات را با زمزمه آرام پالسهای زیستی پیش میبرند. نورونها از نخستین روز پیدایش حیات به دنبال برقراری پیوند بودهاند و حالا این پیوند را با دنیای ماشینها آغاز کردهاند.
