طوّر مهندسون في جامعة ماساتشوستس أمهرست خلية عصبية اصطناعية يتطابق نشاطها الكهربائي إلى حد كبير مع نشاط خلايا الدماغ الطبيعية. ويستند هذا الابتكار إلى بحث سابق أجراه الفريق باستخدام أسلاك نانوية بروتينية مصنوعة من بكتيريا منتجة للكهرباء. يمهد هذا النهج الجديد الطريق لأجهزة كمبيوتر تعمل بكفاءة الأنظمة الحية، وقد تتصل مباشرةً بالأنسجة البيولوجية.
ووضح شواي فو، وهو طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية والحاسوبية بجامعة ماساتشوستس أمهرست والمؤلف الرئيسي للدراسة المنشورة في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز : “يعالج دماغنا كمية هائلة من البيانات. لكن استهلاكه للطاقة منخفض جدًا، خاصةً مقارنةً بكمية الكهرباء اللازمة لتشغيل نموذج لغوي كبير، مثل ChatGPT.”
يعمل جسم الإنسان بكفاءة كهربائية مذهلة، تفوق كفاءة دائرة حاسوبية نموذجية بأكثر من مئة مرة. يحتوي الدماغ وحده على مليارات الخلايا العصبية، وهي خلايا متخصصة ترسل وتستقبل الإشارات الكهربائية في جميع أنحاء الجسم. يتطلب أداء مهمة ككتابة قصة حوالي 20 واط فقط من الطاقة في الدماغ البشري، بينما قد يتطلب نموذج لغوي ضخم أكثر من ميغاواط واحد لإنجاز المهمة نفسها.
لطالما سعى المهندسون إلى تصميم خلايا عصبية اصطناعية لتحقيق كفاءة أعلى في استخدام الطاقة، إلا أن خفض جهدها ليُضاهي المستويات البيولوجية شكّل عائقًا كبيرًا. يقول جون ياو، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية والحاسوبية بجامعة ماساتشوستس أمهرست والمؤلف الرئيسي للدراسة: “استخدمت الإصدارات السابقة من الخلايا العصبية الاصطناعية جهدًا كهربائيًا أكبر بعشرة أضعاف، وطاقة أكبر بمئة مرة، من تلك التي ابتكرناها”. ولهذا السبب، كانت التصاميم السابقة أقل كفاءة بكثير، ولم تتمكن من الاتصال مباشرةً بالخلايا العصبية الحية، الحساسة للإشارات الكهربائية الأقوى.
يقول ياو “إن دماغنا يسجل 0.1 فولت فقط، وهو نفس مقدار الجهد الذي تسجله الخلايا العصبية في أجسامنا”.
هناك مجموعة واسعة من التطبيقات للخلية العصبية الجديدة التي ابتكرها فو وياو، بدءًا من إعادة تصميم أجهزة الكمبيوتر وفقًا لمبادئ مستوحاة من البيولوجيا وأكثر كفاءة، إلى الأجهزة الإلكترونية التي يمكنها التحدث إلى أجسادنا بشكل مباشر.
يقول ياو: “لدينا حاليًا جميع أنواع أنظمة الاستشعار الإلكترونية القابلة للارتداء، لكنها بطيئة وغير فعالة نسبيًا. في كل مرة تستشعر فيها إشارة من أجسامنا، يتعين عليها تضخيمها كهربائيًا حتى يتمكن الحاسوب من تحليلها. هذه الخطوة الوسيطة من التضخيم تزيد من استهلاك الطاقة وتعقيد الدائرة، لكن أجهزة الاستشعار المبنية على خلايانا العصبية منخفضة الجهد يمكنها الاستغناء تمامًا عن أي تضخيم.”
المكون السري في الخلية العصبية الجديدة منخفضة الطاقة التي طورها الفريق هو سلك نانوي بروتيني مُصنّع من بكتيريا Geobacter sulfurreducens الرائعة ، والتي تتميز أيضًا بقدرتها الفائقة على إنتاج الكهرباء. استخدم ياو، إلى جانب العديد من زملائه، أسلاك البروتين النانوية للبكتيريا لتصميم مجموعة واسعة من الأجهزة عالية الكفاءة: غشاء حيوي، يمكنه تشغيل الأجهزة الإلكترونية الشخصية؛ و”أنف إلكتروني” يمكنه اكتشاف الأمراض؛ وجهاز، يمكن بناؤه من أي شيء تقريبًا، يمكنه تجميع الكهرباء من الهواء نفسه.
