دو خبر جالب وجدید درباره مغزهای مصنوعی

پژوهشگران دانشگاه پیتسبورگ خبر دادند:

ساخت مغز مصنوعی هوشمند

جام جم آنلاین: پژوهشگران دانشگاه پیتسبورگ ایالات متحده، مغز مصنوعی بسیار کوچکی ساخته‌اند که می‌تواند فعالیت‌های مغزی انسان را تقلید کند
و

پروژه «مغز آبی» را می‌توان یکی از شاهکارهای علمی بشر دانست

تولد مغز مصنوعی از دل اَبَررایانه

به گزارش ایسنا، این مغز کوچک که از سلول‌های مغزی موش صحرایی درست شده است، دارای 40 هزار تا 60 هزار یاخته‌ عصبی و یک حافظه‌ کوتاه مدت است که می‌تواند مسائل ریاضی را حل کرده و قبوض تلفن همراه را پرداخت کند.

همچنین افراد می‌توانند این مغز کوچک را با یک سیم ارتباط دهنده که به گوش وصل می‌شود، به سر خود متصل کنند.

پژوهشگران این پروژه را با دنبال کردن شیوه‌ای که مغز سیگنال‌های الکتریکی را انتقال و به طور مؤثری ذخیره می‌کند، گسترش داده‌اند.

مطالعات نشان می‌دهد: هنگامی که یاخته‌های عصبی با جریان الکتریسیته تحریک شوند، امواج الکتریکی، این مغز کوچک را به مدت 12 ساعت فعال نگه می‌دارند.

پژوهشگران ادعا می‌کنند این مغز کوچک می‌تواند هر فردی را نابغه کند.

پروژه «مغز آبی» را می‌توان یکی از شاهکارهای علمی بشر دانست

تولد مغز مصنوعی از دل اَبَررایانه

تنها 10 سال با نخستین مغز مصنوعی فاصله داریم. این عبارتی مملو از هیجان و جسارت است که از زبان «هنری مارکهام» مرد شماره یک بزرگترین پروژه مغز مصنوعی جهان به زبان آورده شده است. او به همراه گروهی از دانشمندان در سوئیس در حال ساخت مغز مصنوعی در دل یک ابررایانه است. این مغز در واقع نرم‌افزاری است که می‌تواند فکر کند، به خاطر آورد و حتی عصبانی شود. جسارتی که وی در ترسیم این چشم‌انداز به کار گرفته است موجب شده تا بسیاری از علاقه‌مندان در گوشه و کنار از هم اکنون برای پایان پروژه ساخت آن لحظه شماری کنند.

پروفسور «هنری مارکهام» دستگاهی را در دست نگاه داشته است که بی شباهت به کنترل‌کننده کنسولXbox نیست. نمایشگر رایانه‌ای که وی در برابر آن نشسته تصویری حیرت‌آور از دنیای زیر میکروسکوپی فرا رویش را نشان می‌دهد. وی از این میکروسکوپ قدرتمند برای متصل کردن الکترودها به سلول‌های عصبی و بررسی فعالیت‌های الکتریکی آنها استفاده می‌کند. در حقیقت وی از دستگاه کنترلی که در دستانش گرفته برای هدایت الکترودها به سوی سلول‌ها استفاده می‌کند. مارکهام می‌گوید: این مجموعه بی‌شباهت به یک بازی ویدئویی نیست. گرچه او به شوخی این جمله را به زبان می‌آورد اما حتی او نیز این اجازه را ندارد تا با این کنسول بازی یک میلیون دلاری خود را سرگرم کند. او می‌گوید:‌ تنها یک مهندس دوره دیده می‌تواند با این مجموعه منحصربه‌فرد کار کند. مارکهام مدیر پروژه مغز آبی (Blue Brain) است و قصد دارد با استفاده از مهندسی معکوس مغز مدل رایانه‌ای تولید کند که به‌خوبی فرآیند فکر کردن را تقلید کند. این نسخه دیجیتالی قادر خواهد بود تا فکر کرده، گذشته را به خاطر آورد و تصمیم بگیرد و حتی این امکان وجود دارد تا آن را هوشمندتر از انسان‌ها ارائه کند و از آنجا که این پروژه بر مبنای یک مغز واقعی ساخته می‌شود باید از آن انتظار حرف زدن، ابراز عواطف و احساسات و حتی هوشیار شدن را داشت.

این مغز مصنوعی چندان دور از واقعیت نیست. مارکهام در جریان برگزاری کنفرانسی موسوم به کنفرانس جهانی TED که 2 سال پیش برگزار شد اعلام کرد با ساخت نخستین مغز مصنوعی کاملا مبتنی بر مغز انسان تنها 10 سال فاصله داریم. این اعلام نظر موجی از هیجان و واکنش‌های مختلف را در محافل علمی جهان به راه انداخت. البته باید اعتراف کرد که این یک چشم‌انداز بسیار جسورانه و حتی جاه‌طلبانه است. مغز دارای یکصد میلیارد نورون (سلول عصبی) و تریلیون‌ها اتصال عصبی است. این مجموعه مغز انسان را بسیار پیچیده‌تر از هر مدار رایانه‌ای می‌سازد. از این رو به نظر می‌رسد ارائه نقشه پیش ساخته دیجیتالی از مغز غیرممکن باشد و شاید به همین دلیل است که یکی از دانشمندان علوم عصبی این پروژه را محکوم به شکست دانسته است.

اما اوضاع به گونه‌ای است که نشان می‌دهد پروژه مغز آبی خط بطلانی به تمامی این تردیدها می‌کشد. این نرم‌افزار هم اکنون قادر است رفتار ستون نئوکورتیکال مغز را شبیه‌سازی کند. این بخش از مغز بلوک ساختاری نئوکورتکس مغز است که در واقع همان لایه چروکیده ماده خاکستری است که نیم کره‌های مغز را می‌پوشاند. مارکهام می‌گوید: احتمالا باید ‌ستون نئوکورتیکال را دشوارترین بخش این پروژه نامید. زمانی که از این مرحله سخت عبور کنیم باقی ماجرا مثل آب خوردن خواهد بود.

تنها 10 سال با مغز مصنوعی فاصله داریم که می‌تواند فکر کند، به خاطر آورد و حتی عصبانی شود

به نظر می‌آید متقاعد نشدن از اظهارنظر جسورانه مارکهام کار دشواری باشد. او با اطمینان خاطر خاصی صحبت می‌کند. وی از سال 1994 میلادی مشغول جمع‌آوری اطلاعات مختلفی از آزمایشات تجربی خود و تیم همراهش بوده است و در این مدت همواره منتظر ارائه رایانه‌های قدرتمندتری بوده است تا بتواند از آنها برای خلق تفکر مجازی بر پایه زیست‌شناسی استفاده کند. در حال حاضر تیم تحقیقاتی مارکهام متشکل از 35 متخصص با تجربه در مقر اصلی پروژه مغز آبی در لوزان سوئیس مشغول بررسی دقیق چگونگی فعالیت و تعامل سلول‌های مغزی و مدارات آن هستند. مارکهام در این خصوص ادامه می‌دهد: بیش از 15 سال زمان صرف شده است و در این مدت حدود 15 هزار آزمایش در زمینه کالبدشکافی مغز انجام شده و این درحالی است که سعی کرده‌ایم با استفاده از مهندسی معکوس به زوایای ناپیدای ستون نئوکورتیکال مغز راه پیدا کنیم. مارکهام با اشاره به پیشرفت‌های اخیر در دنیای نرم‌افزارهای رایانه‌ای می‌گوید: امروز در مرحله‌ای قرار داریم که این کارها را تنها در 2 ماه می‌توانیم انجام دهیم.

محاسبات زیستی

مارکهام که در آزمایشگاه فوق مدرنش قرار دارد، دستگاه کنترل‌کننده Xbox را کنار گذاشته تا توضیحاتی درباره میکروسکوپ پیچیده پشت سرش ارائه کند. این میکروسکوپ به بانکی از تجهیزات الکترونیکی متصل است و جریان‌‌های تولید شده به وسیله نورون‌ها را ثبت می‌کند. پس از برش بخش نازک ویفری از نئوکورتکس مغز موش صحرایی که تنها 2 هفته از عمرش می‌گذرد، محقق روی تک سلولی از قطعه نمونه‌برداری شده متمرکز می‌شود و سپس با استفاده از پی پت آزمایشگاهی به سطح سلول مورد نظر نفوذ می‌کند. مارکهام درباره این تکنیک می‌گوید: محققان گروه تنها از یک پی پت و یک سلول استفاده نمی‌کنند بلکه این فرآیند شامل سیستمی متشکل از 12 پی پت و 12سلول است. هر پی پت به الکترودی متصل است که آن هم به تقویت‌کننده حساسی مرتبط است که به جریان‌های بسیار ضعیف نورون‌های مغزی گوش می‌دهد.

سلول‌ها پالس‌های عصبی را به شیوه‌های گوناگونی منتشر می‌کنند. برخی سیگنال‌های بریده بریده‌ای ارسال کرده و برخی نیز سیگنال‌های کامل و سریعی منتشر می‌کنند. گروه تحقیقاتی که با مارکهام همکاری دارد این مشخصه‌های متنوع الکتریکی را مد نظر داشته و آنها را در ارائه مدل نهایی پروژه مغز آبی به کار می‌گیرند.

مشخصه هر نورون به طبقه‌بندی کانال‌های یونی در غشای آن بستگی دارد. این کانال‌ها وظیفه مهمی بر دوش دارند که بر این اساس جریان یون‌ها (اتم‌های باردار شده الکتریکی) را در درون و خارج از سلول کنترل می‌کنند و در نهایت جریان‌هایی تولید می‌کنند که آنها نیز به نوبه خود پالس‌های عصبی الکتریکی منتشر می‌کنند. مارکهام درحالی که با اشتیاق خاصی فرآیند ساخت مغز آبی را تشریح می‌کند ادامه می‌دهد: تعداد این کانال‌ها به 200 می‌رسد و باید مدلهای ریاضی برای هر یک از آنها ارائه کنیم. او به این نکته نیز اعتراف می‌کند که در گذشته و از بعد تئوری از تمامی این مراحل آگاه بوده است با این حال فقدان فناوری‌های لازم ازجمله نرم‌افزارهای رایانه‌ای قدرتمند مانع بزرگی در سر راهشان بوده است.

نئوکورتکس مغز انسان مشابه رایانه زیستی با راندمان بالایی است که در آن انبوه متراکمی از ریزتراشه‌ها یا همان ستون‌های نئوکورتیکال است. دقیقا به دلیل همین تراکم بالاست که ماده خاکستری مغز ظاهری چروکیده داشته و بی‌شباهت به یک گردو نیست. این ویژگی خاص که صرفا به پستانداران محدود می‌شود به انسان این امکان را می‌دهد عملکردهای قابل توجهی از خود بروز دهد، از جمله استدلال کردن.

نورون‌هایی که در نئوکورتکس مغز وجود دارند به طور عمودی در کنار هم چیده شده‌اند. این ناحیه از مغز شامل بخش‌های تکرار شده‌ای از ستون‌های نئوکورتیکال به طول 2 و عرض تنها نیم میلی‌متر است. هریک از این ستون‌ها شامل گروهی از نورون‌هاست که به محرک خاصی واکنش نشان می‌دهد که از آن جمله می‌توان به تشخیص فشار روی قسمتی از پوست با پردازش رنگی خاص اشاره کرد.

ستون نئوکورتیکال به طرز خیره‌کننده‌ای در میان گونه‌های مختلف پستانداران مشابه است و همین نکته به تیم تحقیقاتی مارکهام این امکان را می‌دهد تا داده‌های لازم را از موش‌های صحرایی جمع‌آوری کرده و الگوی کلی دیجیتالی برای پستانداران ارائه کنند. مارکهام ادامه می‌دهد: انسان‌ها نسبت به سایر پستانداران دارای ستون‌های نئوکورتیکال بیشتری هستند، اما طراحی کلی این مولکول اساسا از موش‌ها گرفته تا انسان‌ها مشابه است. به همین دلیل است که می‌توانیم با مطالعه موش‌های صحرایی، نتایج مطالعات را به انسان‌ها تعمیم دهیم.

واقعیت مجاز

مارکهام درحالی که عینک مخصوص مشاهده تصاویر سه‌بعدی بر چشم دارد به ویدئویی از ستون نئوکورتیکال اشاره می‌کند. تصاویر ویدئوی این ستون‌ها روی پرده کوچکی که در آزمایشگاه فوق‌مدرنش قرار دارد نمایش داده می‌شود. همزمان با نمایش نخستین نورون روی پرده مارکهام می‌گوید: هم‌اکنون که این تصاویر را می‌بینید با انبوهی از 10 هزار نورون روبه‌رو شده اید! این همان فرآیندی است که در ابررایانه‌ای موسوم به ژن آبی روی می‌دهد. این ابررایانه با این هدف طراحی شده است تا محاسبات بسیار سریعی را به منظور ارائه تصاویر یاد شده انجام دهد.

مطالعاتی که در سال‌های اخیر انجام شده نشان می‌دهند ستون نئوکورتیکال می‌تواند به عنوان نوعی کد جهانی مغز بررسی شود. با تقسیم دوتایی قطعات کورتکس می‌توان رفتار 100 هزار سلول را شبیه‌سازی کرد. این سلول‌ها از طریق 10میلیارد سیناپس و 4 کیلومتر رشته به یکدیگر متصل می‌شوند. مارکهام و تیم همراهش امیدوارند تا در مدت 3 سال اولین مدل کامل از مغز موش را به دست آورده و سپس به شبیه‌سازی مغز اسب، گربه و میمون بپردازند و در پایان یعنی در سال 2030 مغز انسان را در رایانه بازسازی کنند.

اما هدف اصلی چیست؟

این مغز مصنوعی که با همکاری تنگاتنگ شرکت I.B.M ساخته می‌شود برای آزمایش روش‌های درمانی جدید آسیب‌های مغزی به کار گرفته خواهد شد و این دقیقا همان نقطه‌ای است که در حال حاضر دانشمندان علوم عصبی نمی‌توانند گامی فراتر از آن بگذارند، اما گویی قرار است با پروژه مغز آبی گام‌های تازه‌ای برداشته شود. مارکهام می‌گوید:‌ هدف اصلی از ساخت این مغز مصنوعی استفاده از آن به جای حیوانات آزمایشگاهی در آزمایش روش‌های درمانی آسیب‌های مغزی بخصوص آلزایمر، پارکینسون، اوتیسم، شیزوفرنی و از بین بردن انواع تومورهای سرطانی است.

گام به گام با ساخت مغز آبی

در اینجا به این نکته پرداخته می‌شود که چگونه پروژه مغز آبی مدل مجازی از ستون نئوکورتیکال را در دل یک ابررایانه قدرتمند ارائه می‌کند.

فرآیند ثبت داده‌ها از سلول‌ها: ستون نئوکورتیکال در حال تکرار مدلی است که نئوکورتکس مغز را می‌سازد. هر یک از این ستون‌ها شامل 50 نوع نورون است که تمام آنها به نسخه‌های مجازی برای مدل رایانه‌ای تبدیل می‌شود. محققان پروژه برای شناسایی دقیق سلول‌ها آنها را به وسیله میکروسکوپ مادون قرمز قدرتمند علامت‌گذاری می‌کنند و در ادامه الکتردوها را به سطح آنها وارد می‌کنند تا اطلاعات مربوط به فعالیت الکتریکی‌شان را ثبت کنند. هر نورون مشخصه الکتریکی خاص خود را دارد که از روی کانال‌های یونی که در سطح آن قرار دارد تشخیص داده می‌شود. این کانال‌ها با این هدف مورد مطالعه قرار می‌گیرند تا مشخص شود چگونه با مشخصه خاص نورون در ارتباط است.

طراحی نقشه از مدارها:‌ ستون نئوکورتیکال به 6لایه تقسیم می‌شود که روی یکدیگر فشرده شده‌اند. هر لایه متشکل از نورون‌های دریافت‌کننده است که آن هم از سلول‌های با اشکال و مشخصه‌های مختلف تشکیل شده است که البته در تعداد نیز متفاوت هستند. با استفاده از میکروسکوپ X/Y/Z محققان می‌توانند تک‌سلول‌ها را شناسایی و علامت‌گذاری کنند تا در نهایت بتوانند طرح کل نورون را در قالب یک نقشه سه‌بعدی ترسیم کنند. ستون نئوکورتیکال متشکل از 10 هزار نورون و شمار قابل توجهی جایگاه است. در این جایگاه‌ها سلول‌ها با یکدیگر تماس برقرار می‌کنند در نتیجه در مدل مجازی نهایی نیز ارتباط بین سلول‌ها به خوبی دیده می‌شود.

ساخت یک مدل: اطلاعات از آزمایشات مختلفی که روی سلول‌های واقعی و مدارها انجام می‌شود جمع‌آوری شده و در ادامه تنظیماتی روی آنها صورت می‌گیرد تا برای نرم‌افزار آماده شود. مشخصه الکتریکی نوروهای مجازی به وسیله معادل‌های ریاضی شبیه‌سازی می‌شود که فعالیت ترکیب کانال‌های یونی روی سطح سلول را نمایش می‌دهند. شبیه‌سازی مغز آبی روی ابررایانه‌ای صورت می‌گیرد که با همکاری شرکت IBM ساخته شده است.

انجام شبیه‌سازی: استفاده بسیار مختصر از الکتریسیته به ستون نئوکورتیکال مجازی حیات می‌بخشد. شبیه‌سازی الکتریکی مشابهی را نیز می‌توان برای بخشی از مغز موش و با استفاده از ارائه‌هایی از الکترودها انجام داد. این کار به محققان این امکان را می‌دهد تا رفتار مدار مجازی را با نمونه واقعی مقایسه کنند. آنها در ادامه می‌توانند هر گونه ناهماهنگی و ناپایداری را مشاهده کرده و با انجام اصلاحاتی نتیجه کار را به نمونه واقعی نزدیک کنند. زمانی که کار تمام می‌شود، مغز آبی را می‌توان برای خلق تفکر انسان در هر مرحله‌ای از رشد به کار گرفت و مغزی را ارائه کرد که ممکن است به بیماری عصبی مبتلا باشد.

مهدی پیرگزی

منبع: ‌Focus

مارکهام در جریان برگزاری کنفرانسی موسوم به کنفرانس جهانی TED که 2 سال پیش برگزار شد اعلام کرد با ساخت نخستین مغز مصنوعی کاملا مبتنی بر مغز انسان تنها 10 سال فاصله داریم.

اطلاعات از آزمایشات مختلفی که روی سلول‌های واقعی و مدارها انجام می‌شود جمع‌آوری شده و در ادامه تنظیماتی روی آنها صورت می‌گیرد تا برای نرم‌افزار آماده شود.

ستون نئوکورتیکال به 6 لایه تقسیم می‌شود که روی یکدیگر فشرده شده‌اند. هر لایه متشکل از نورون‌های دریافت‌کننده است که آن هم از سلول‌های با اشکال و مشخصه‌های مختلف تشکیل شده است که البته در تعداد نیز متفاوت هستند.

استفاده بسیار مختصر از الکتریسیته به ستون نئوکورتیکال مجازی حیات می‌بخشد. شبیه‌سازی الکتریکی مشابهی را نیز می‌توان برای بخشی از مغز موش و با استفاده از ارائه‌هایی از الکترودها انجام داد.

ستون نئوکورتیکال در حال تکرار مدلی است که نئوکورتکس مغز را می‌سازد. هر یک از این ستون‌ها شامل 50 نوع نورون است که تمام آنها به نسخه‌های مجازی برای مدل رایانه‌ای تبدیل می‌شود.