كيف تعلمت الخلايا العصبية البشرية الموجودة على الشريحة لعبة Doom

نشرت شركة التكنولوجيا الحيوية الأسترالية Cortical Labs مؤخرًا مقطع فيديو يظهر فيه 200 ألف خلية عصبية بشرية حية نمت على شريحة سيليكون، وهي تلعب لعبة Doom من منظور الشخص الأول عام 1993. كانت الشخصية الرئيسية التي تسيطر عليها الخلايا العصبية تتجول في الممرات، وتواجه الأعداء وتطلق الأسلحة – بطريقة خرقاء، وتموت في كثير من الأحيان. لكن الخلايا العصبية كانت تلعب رغم ذلك.

يمكن أن يمثل العرض التوضيحي نقطة انعطاف حقيقية. ويبدو أن الخلايا العصبية تعرض ما يسميه بريت كاجان، كبير المسؤولين العلميين في شركة Cortical Labs، “التعلم التكيفي الموجه نحو الأهداف في الوقت الفعلي”. وتمتد المخاطر إلى ما هو أبعد من الألعاب، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن شهية الذكاء الاصطناعي للكهرباء كانت تنمو بسرعة. على الرغم من أنه من غير المرجح أن تحل الخلايا العصبية محل الرقائق الدقيقة، إلا أنها تستطيع إجراء بعض العمليات الحسابية بكفاءة أكبر بكثير، ويمكن أن توفر دراستها أساليب جديدة للحوسبة، وربما لاختبار الأدوية العصبية.

للتوضيح، الخلايا العصبية الخاصة بشركة Cortical Labs لا يتم استخلاصها من الأدمغة. يشرح كاجان: “يمكنك أخذ كمية صغيرة من الدم أو الجلد، وعزل أنواع معينة من الخلايا، وتحويلها إلى خلايا جذعية، ومن ثم، من تلك الخلايا الجذعية، تولد كمية غير محددة من الخلايا العصبية”. يمكن لكل وحدة من وحدات الحوسبة الخاصة بها أن تستوعب حوالي 800000 خلية عصبية في نظام دعم الحياة القائم بذاته والذي يمكنه إبقائها على قيد الحياة لمدة تصل إلى ستة أشهر. وتعتمد الواجهة على الكهرباء، وهي “اللغة المشتركة بين علم الأحياء والسيليكون”، على حد تعبيره. عندما تكون خلايا الدماغ نشطة، فإنها تولد نبضات كهربائية صغيرة، ويمكن للنظام إرجاع نبضات صغيرة إليها.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

لكن الأسلاك هي الجزء السهل. الجزء الصعب هو وضع الخلايا في طبق للقيام بأي شيء هادف. يقول كاجان: “إن الإغراء هو تجسيم الشكل والقول، أوه، إنهم يحبون (لعبة Doom)”. “لكن هذا ليس حيوانًا أو إنسانًا أو أي شيء معقد مثل الحشرة. إنه نظام. إنه مثل القول: “هل يحب الكمبيوتر أو يكره وظيفة المكافأة على نموذج (التعلم المعزز)؟”

يعتمد حل تحفيز الخلايا العصبية على مبدأ الطاقة الحرة، الذي طوره عالم الأعصاب كارل فريستون من جامعة كوليدج لندن. ينص المبدأ على أن الأنظمة العصبية مدفوعة للتنبؤ ببيئتها. يقول كاجان: “إذا وصلت إلى علبة مشروب فارغة وتنبأت بنجاح بنتائج أفعالي، فهذا هو العالم الذي يمكنني العيش فيه”. “لكن إذا وصلت إليها وتحولت أحيانًا إلى دجاجة وأحيانًا تحولت إلى ألعاب نارية، فسيكون من المستحيل العيش في هذا العالم.”

لتدريب الخلايا العصبية، قام الفريق ببناء حلقة ردود فعل بسيطة. أنتجت التحركات الخاطئة إشارات عشوائية لا يمكن التنبؤ بها – ضوضاء بيضاء. أنتجت التحركات الصحيحة تحركات منظمة ويمكن التنبؤ بها. يقول كاجان: “أي إشارة لا تستطيع الخلايا التنبؤ بها هي أمر يتعين على الخلايا بعد ذلك أن تتعلم كيفية تجنبه، لأن ذلك سيكون الطريقة الوحيدة لخلق القدرة على التنبؤ في هذه البيئة”. في الواقع، كانت الفوضى بمثابة عقاب، وكان النظام بمثابة مكافأة.

في أكتوبر 2022، نشرت Cortical Labs دراسة لإثبات المفهوم في المجلة الخلايا العصبية. أظهر كاجان وزملاؤه أنه في غضون دقائق، يمكن للخلايا العصبية الموجودة على الرقائق الدقيقة أن تتعلم لعب بونج، وهي لعبة الفيديو الكلاسيكية التي يعترض فيها اللاعب الكرة بشكل متكرر، مثل كرة الطاولة ثنائية الأبعاد. لكن لعبة بونج تتضمن فقط مربعًا مرتدًا وخطًا متحركًا. يحتوي Doom على ممرات وأعداء وملاحة ثلاثية الأبعاد والكثير من الأشياء التي تحاول قتلك.

ولتحقيق هذه القفزة، نظمت شركة Cortical Labs هاكاثونًا مع جامعة ستانفورد. قام الباحث المستقل شون كول بربط الخلايا العصبية بخوارزمية تعليمية قياسية. وقد تفوق النظام الهجين على الخوارزمية التي تعمل من تلقاء نفسها، مما يشير إلى أن الخلايا البيولوجية كانت تساهم في عملية التعلم.

تضع شركة Cortical Labs طموحاتها حول مسارين. الأول طبي: “93 إلى 99 بالمائة من التجارب السريرية، اعتمادًا على كيفية قطعها، في مجال الطب النفسي العصبي تفشل”، كما يقول كاجان. يتم اختبار العديد من هذه الأدوية على الخلايا العصبية في طبق، لكنه يشير إلى أن خلايا الدماغ ليس من المفترض أن تبقى في فراغ المعلومات. يقول: «لقد نشرنا بالفعل وأظهرنا أنه عندما يكون لديك خلايا في بيئة لعبة أو بيئة عالمية، فإنها تختلف اختلافًا جوهريًا في كيفية استجابتها للأدوية، وفي كيفية ظهور المرض».

المسار الثاني هو الحسابي. يقول كاجان إن الخلايا العصبية تشكل «أقوى نظام معالجة معلومات نعرفه». “إن تعقيدها يتجاوز بكثير أي شيء بنيناه باستخدام السيليكون.” ويقول إن ترانزستورات السيليكون لها تعقيد من الدرجة الأولى – وهي حالة ثنائية، 0 و1. “الخلايا العصبية البيولوجية لديها على الأقل تعقيد من الدرجة الثالثة، وربما أعلى من ذلك بكثير. ويمكنها الاحتفاظ بثلاث حالات ديناميكية متفاعلة على الأقل في وقت واحد.”

ويرى الباحثون أن هذا التعقيد يمكن أن يترجم إلى وفورات كبيرة في الطاقة. ويرى فينج جو، الأستاذ المشارك في جامعة إنديانا بلومنجتون، أن منصة الحوسبة الحيوية الخاصة بشركة Cortical Labs قادرة على “الحوسبة عالية المستوى”. في ورقة 2023 في إلكترونيات الطبيعةقدم جو وزملاؤه “Brainoware”، وهو نظام يستخدم عضويات دماغية ثلاثية الأبعاد للحوسبة. بالنسبة لجو، تعتبر حجة الطاقة حاسمة. يستخدم الدماغ البشري 20 واط فقط، أي أقل من مصباح كهربائي خافت. ويقول: “إذا كنت ترغب في إنشاء قوة حاسوبية مماثلة لنظام حوسبة الذكاء الاصطناعي القائم على السيليكون، فسيكون ذلك أعلى بمليون مرة على الأقل”.

ومع ذلك، يحرص كاجان على عدم المبالغة في الترويج للمستقبل. يقول: “سوف تتفوق علي آلة حاسبة الجيب في القسمة المطولة في أي يوم”. “لكن أفضل خوارزميات الذكاء الاصطناعي (التعلم المعزز) المتطورة لديك ليست بجودة الذهاب إلى منزل شخص آخر وإيجاد طريقة لإعداد كوب من الشاي.” ويقول إن الحوسبة البيولوجية هي “أداة جديدة في صندوق أدوات الذكاء”.

لا تتوقع أن يعمل جهاز كمبيوتر شخصي على الدماغ في وعاء في أي وقت قريب. يتحدث كاجان بواقعية عن الأبحاث التي لا يزال يتعين القيام بها، لكنه يقول: “إنك تنتقل من الخيال العلمي إلى العلم بمجرد أن تتمكن من العمل على حل المشكلة”. قبل بضع سنوات مضت، نشرت الحوسبة البيولوجية لعبة بونغ باسمها. والآن أصبح لديها منصة تجارية، وواجهة برمجة تطبيقات يمكن للمطورين الاتصال بها، وفيديو لخلايا عصبية تتعثر في Doom، بشكل سيئ، لكنهم يتعلمون.