العلماء يطورون خلايا دماغية اصطناعية تعمل بالضوء بدلا من الإشارات العصبية

طوّر باحثون في المختبر الدولي الأيبيري لتكنولوجيا النانو خلية عصبية اصطناعية من مواد شبه موصلة، تُعالج المعلومات الضوئية من خلال تذبذبات ذاتية الاستدامة، محاكية بذلك سلوك الخلايا العصبية البيولوجية بدقة، ويُمثل هذا التطور خطوة مهمة نحو أنظمة حوسبة عصبية فعّالة تعتمد على الضوء.

وتعرف التذبذبات العصبية، والتي تُسمى أيضا موجات الدماغ، بأنها أنماط إيقاعية للنشاط الكهربائي في الدماغ، تحدث عندما تُطلق الخلايا العصبية (خلايا الدماغ) إشارات كهربائية بشكل متزامن ومتكرر.

هذه التذبذبات ضرورية لوظائف الدماغ لأنها تساعد في مهام مثل تنسيق التواصل بين مناطق الدماغ المختلفة، الأمر الذي يعزز مهام التفكير والتعلم والحركة والذاكرة والتعلم

وعلى سبيل المثال، ترتبط بعض التذبذبات، مثل موجات ثيتا (4-8 هرتز) في منطقة الحُصين، بتكوين الذاكرة، وتساعد موجات جاما الأسرع (30-100 هرتز) على حل المشكلات ومعالجة المعلومات المعقدة، وأثناء النوم، تساعد تذبذبات الموجات البطيئة (مثل موجات دلتا، 0.5-4 هرتز) على تخزين الذكريات والتخلص من الفضلات من الدماغ.

إشارات إيقاعية

وبحسب الدراسة، التي نشرها الفريق البحثي في دورية ساينتفك ريبورتس، تستخدم هذه الخلايا الاصطناعية الجديدة الإشارات الضوئية (تحديدا الأشعة تحت الحمراء) بدلا من الإشارات الكهربية لمعالجة المعلومات، وتتصرف هذه الخلايا العصبية كخلايا دماغية حقيقية بإرسال إشارات إيقاعية، والتي تعد ضرورية لوظائف مثل التعلم والذاكرة والتعرف على الأنماط.

وتستخدم هذه الخلايا مواد شبه موصلة خاصة مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم، وهي مادة تدعم ظاهرة “النفق الكمي”، وهذا يسمح بالتحكم الدقيق في الإشارات الكهربائية.

وقد اختبر العلماء الخلية العصبية الاصطناعية في ظروف مختلفة، في الظلام مثلا لم تتذبذب الخلايا وبقيت في حالة مستقرة، ومع التعرض للضوء بدأت بالتذبذب، محاكية النشاط النبضي للخلايا العصبية الحقيقية.

وتم تحقيق ذلك باستخدام تأثير كمي يُسمى المقاومة التفاضلية السلبية، ويعني أن الخلية العصبية يمكنها تغيير حالتها بناءً على الضوء المُدخل.

تطبيقات مستقبلية

ولهذا الاكتشاف آثار مهمة الذكاء الاصطناعي، حيث تعالج أجهزة الكمبيوتر التقليدية المعلومات خطوة بخطوة (المعالجة التسلسلية)، ولكن يمكن لهذه الخلايا العصبية التي تعمل بالضوء معالجة العديد من الإشارات في وقت واحد (المعالجة المتوازية)، وهذا يجعل الذكاء الاصطناعي أشبه بالدماغ وأكثر كفاءة.

كما يمكن لهذه التقنيات أن تكون مفيدة في الحوسبة العصبية فائقة الكفاءة، حيث تستهلك رقائق الذكاء الاصطناعي الحالية الكثير من الطاقة والمساحة، وفي المقابل لا تتطلب هذه الخلايا العصبية الضوئية دوائر إضافية، وتعمل بالضوء، وهذا يقلل من استهلاك الطاقة.

وبالطبع فإن هذا النمط من الخلايا الاصطناعية يفيد في تطوير تعلم يشبه الدماغ لآلات المستقبل، حيث تستخدم الأدمغة الحقيقية التذبذبات للتعرف على الأنماط وتخزين الذكريات، وبالتبعية يمكن استخدام هذه الخلايا العصبية في أنظمة الذكاء الاصطناعي التي تتعلم بشكل طبيعي أكثر.

الآن، يهدف العلماء إلى دمج العديد من الخلايا العصبية الاصطناعية لإنشاء شبكات قادرة على أداء مهام معقدة، ومن ثم نقل البحث العلمي إلى مستوى تطبيقات أكثر فاعلية.