ساخت نورون‌های مصنوعی با امکان تقلید از رفتار نورون‌های طبیعی

گروهی از پژوهشگران بین‌المللی در پیشرفتی درخورتوجه نورون‌هایی مصنوعی ساخته‌اند که می‌توانند دقیقا مانند نورون‌های زنده‌ی واقعی رفتار کنند. این فناوری ممکن است سال‌ها با کاربرد بالینی در انسان فاصله داشته باشد؛ اما مسیر را برای هر کاربردی از درمان بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی عصب از آلزایمر گرفته تا ایجاد ضربان‌سازهای جدیدی هموار می‌کند که نورون‌های تنظیم‌کننده‌ی پمپاژ قلب را تنظیم می‌کنند.

ایجاد نورون‌های مصنوعی چالش چندجانبه‌ای است که سال‌ها است دانشمندان با آن درگیرند. پژوهشگران علاوه‌بر رفع مشکلات مهندسی مرتبط‌ با توسعه‌ی سخت‌افزارهای مینیاتوری که عملکردی شبیه نورون‌ها داشته باشند، باید مدل‌های ریاضی پیچیده‌ای را ایجاد کنند که بتواند فعالیت الکتریکی غیرخطی پیچیده‌ی موجود در نورون‌های مصنوعی را کنترل کنند. آلن نوگارت، استاد دانشگاه باث و هدایت‌کننده‌ی پروژ‌ه‌ی مذکور می‌گوید:

رویکرد ما چندین نوآوری را باهم ترکیب می‌کند. می‌توانیم با دقت زیادی پارامترهایی برآورد کنیم که رفتار نورون‌ها را کنترل می‌کنند. ما مدل‌های فیزیکی را از سخت‌افزار تولید کرده‌ و توانایی آن را درزمینه‌ی تقلید موفقیت‌آمیز رفتار نورون‌های زنده‌ی واقعی نشان داده‌ایم. موفقیت دیگر ما تطبیق‌پذیری مدل است که امکان گنجاندن انواع و عملکردهای مختلف نورون‌های پیچیده پستانداران را فراهم می‌کند.

نورون‌های مصنوعی ممکن است در آینده برای درمان بیماری‌های مختلفی مانند بیماری قلبی و بیماری آلزایمر استفاده شوند.

دو نوع از نورون‌های مصنوعی، یعنی نورون‌های تنفسی و نورون‌های هیپوکامپ، در مطالعه‌ای تشریح شده‌اند که به‌تازگی منتشر شده است. این نورون‌ها به‌صورت مصنوعی ساخته شدند و نشان داده شده است که رفتار آن‌ها تقلیدی دقیق از همتایان بیولوژیکی‌شان است. جولیان پاتون، یکی از نویسندگان مقاله می‌گوید:

تولید پاسخ نورون‌های تنفسی در قالب بیوالکتریکی که بتواند کاهش مقیاس یابد و کاشته شود، بسیار هیجان‌انگیز است و فرصت‌های بی‌شماری برای ساخت دستگاه‌های پزشکی هوشمند به‌منظور کمک به رویکردهای پزشکی شخصی و درمان طیفی از بیماری‌ها و ناتوانی‌ها مهیا می‌کند.

استاد، آلن نوگارت (سمت چپ) و پژوهشگر، کمال ابوحسن (سمت راست) در آزمایشگاه دانشگاه باث

این میکروچیپ‌های سیلیکونی مینیاتوری کاربردهای فرضی فراوانی می‌توانند داشته باشند. یکی از کاربردهای ممکن ساخت نوعی ضربان‌ساز هوشمند است که نه‌تنها تحریک الکتریکی قلب را فراهم می‌کند؛ بلکه با گروه خاصی از نورون‌های موجود در پایه‌ی مغز ارتباط برقرار می‌کند که نقش مهمی در نارسایی قلبی دارند. کاربرد دیگر استفاده از نورون‌های مصنوعی برای جایگزینی مسیرهای عصبی آسیب‌دیده دراثر بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی عصب نظیر آلزایمر است. نوگارت توضیح می‌دهد:

تاکنون، نورون‌ها مانند جعبه‌ی سیاه بودند؛ اما موفق شدیم این جعبه را بازکنیم. کار ما موجب تغییر الگوها می‌شود؛ زیرا روشی قاطع برای جایگزینی ویژگی‌های الکتریکی نورون‌های واقعی مهیا می‌کند.

ازنظر تئوری، این فناوری می‌تواند در آینده برای ایجاد مسیرهای عصبی به‌کار برده شود و ساخت نوعی رابط مغز و ماشین را تحقق بخشد که به‌وسیله‌ی استارتاپ نورالینک ایلان ماسک پیشنهاد شده است؛ هرچند پژوهشگران این پروژه به کاربردهای مرتبط با سلامتی علاقه‌ی بیشتری دارند؛ ازجمله یافتن راه‌هایی برای جایگزینی شبکه‌های نورونی آسیب‌دیده یا بیمار در بیماران انسانی. البته نیازی به گفتن نیست که این اقدام قبل از رسیدن به کاربردهای انسانی به سال‌ها آزمایش نیاز دارد؛ اما مطالعه‌ی مذکور گامی اساسی به‌سوی افق‌های جدید برای پژوهشگران آینده است.

نتاج پژوهش در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است.