العلماء يطبعون خلايا عصبية اصطناعية يمكنها التحدث إلى الدماغ

يمكن للخلايا العصبية الاصطناعية المطبوعة الآن إرسال إشارات نابضة بالحياة تعمل على تنشيط خلايا الدماغ الحقيقية. يمكن لهذا الاختراق أن يُحدث تحولًا في كل من عمليات زرع الدماغ والذكاء الاصطناعي الموفر للطاقة.

المهندسين في جامعة نورث وسترن لقد طوروا خلايا عصبية اصطناعية مطبوعة تتجاوز التقليد البسيط ويمكنها التفاعل مباشرة مع خلايا الدماغ الحقيقية. هذه الأجهزة مرنة وغير مكلفة وقادرة على إنتاج إشارات كهربائية تشبه إلى حد كبير إشارات الخلايا العصبية الحية.

وفي الاختبارات المعملية التي استخدمت شرائح من أنسجة دماغ الفأر، نجحت الخلايا العصبية الاصطناعية في تحفيز الخلايا العصبية الحقيقية، مما أدى إلى استجابات قابلة للقياس. ويسلط هذا الإنجاز الضوء على مستوى جديد من التوافق بين الأنظمة الإلكترونية والشبكات العصبية البيولوجية.

تطوير واجهات الدماغ والحوسبة منخفضة الطاقة

يمثل هذا البحث خطوة مهمة نحو الإلكترونيات التي يمكنها التواصل مع الجهاز العصبي. ومن الممكن أن تدعم مثل هذه التكنولوجيا واجهات الدماغ والآلة والأجهزة التعويضية العصبية، بما في ذلك الغرسات المصممة لاستعادة السمع أو الرؤية أو الحركة.

وتشير النتائج أيضًا إلى مستقبل حوسبة أكثر كفاءة. من خلال إعادة إنتاج الطريقة التي ترسل بها الخلايا العصبية الإشارات – وهي سمة مميزة للدماغ، وهو نظام الحوسبة الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة – يمكن لأجهزة الجيل التالي التعامل مع المهام المعقدة مع استخدام طاقة أقل بكثير من الأنظمة الحالية.

ونشرت الدراسة في 15 أبريل في المجلة تكنولوجيا النانو الطبيعة.

“إن العالم الذي نعيش فيه اليوم يخضع لسيطرة الذكاء الاصطناعي “(الذكاء الاصطناعي)”، قال مارك سي هيرسام من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة. “إن الطريقة التي تجعل الذكاء الاصطناعي أكثر ذكاءً هي من خلال تدريبه على المزيد والمزيد من البيانات. يؤدي هذا التدريب المكثف للبيانات إلى مشكلة هائلة في استهلاك الطاقة. لذلك، يتعين علينا أن نبتكر أجهزة أكثر كفاءة للتعامل مع البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي. ولأن الدماغ أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بخمس مرات من الكمبيوتر الرقمي، فمن المنطقي أن ننظر إلى الدماغ للحصول على الإلهام للجيل القادم من الحوسبة.

هيرسام هو باحث رائد في مجال الإلكترونيات المستوحاة من الدماغ ويشغل أدوارًا متعددة في جامعة نورث وسترن. وهو أستاذ والتر بي مورفي لعلوم وهندسة المواد في كلية ماكورميك للهندسة، وكذلك أستاذ الطب في كلية الطب بجامعة نورث وسترن فاينبرغ وأستاذ الكيمياء في كلية واينبرغ للآداب والعلوم. يشغل أيضًا منصب رئيس قسم علوم وهندسة المواد، ومدير مركز علوم وهندسة أبحاث المواد، وعضو في المعهد الدولي لتقنية النانو. شارك في قيادة الدراسة فينود ك. سانجوان، وهو أستاذ مشارك في جامعة ماكورميك.

من السيليكون التقليدي إلى الأنظمة المشابهة للدماغ

ومع تزايد متطلبات الحوسبة، تواجه الأنظمة التقليدية هذه التحديات عن طريق إضافة المزيد من المكونات المتطابقة. تحتوي الرقائق الحديثة على مليارات الترانزستورات مرتبة على السيليكون المسطح الصلب، حيث يؤدي كل عنصر نفس الوظيفة. بمجرد بنائها، لا تتغير هذه الأنظمة.

يعمل الدماغ بطريقة مختلفة تمامًا. وتتكون من أنواع عديدة من الخلايا العصبية، لكل منها أدوار متخصصة، منظمة في شبكات ناعمة ثلاثية الأبعاد. تتكيف هذه الشبكات باستمرار، وتشكل اتصالات جديدة وتعيد تشكيل الروابط الموجودة مع حدوث التعلم.

وقال هيرسام: “يحقق السيليكون التعقيد من خلال امتلاك مليارات الأجهزة المتطابقة”. “كل شيء يصبح هو نفسه، جامدًا وثابتًا بمجرد تصنيعه. الدماغ هو العكس. إنه غير متجانس، وديناميكي، وثلاثي الأبعاد. وللتحرك في هذا الاتجاه، نحتاج إلى مواد جديدة وطرق جديدة لبناء الإلكترونيات”.

على الرغم من أن الخلايا العصبية الاصطناعية قد تم إنشاؤها من قبل، إلا أن معظمها ينتج إشارات بسيطة للغاية. لتوليد سلوك أكثر تعقيدًا، يعتمد المهندسون عادةً على شبكات كبيرة، مما يزيد من استهلاك الطاقة.

تتيح المواد القابلة للطباعة خلايا عصبية أكثر واقعية

ولمطابقة سلوك الخلايا العصبية الحقيقية بشكل أفضل، صمم الباحثون أجهزتهم باستخدام مواد ناعمة قابلة للطباعة. لقد صنعوا أحبارًا إلكترونية متخصصة مصنوعة من مقياس النانو رقائق ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) ، الذي يعمل بمثابة أشباه الموصلات، و الجرافين، الذي يعمل كموصل. تم ترسيب هذه الأحبار على أسطح بوليمرية مرنة باستخدام طريقة تعرف باسم طباعة الهباء الجوي.

في السابق، كان عنصر البوليمر الموجود في هذه الأحبار يعتبر من العيوب لأنه يتداخل مع التدفق الكهربائي، لذلك يتم إزالته عادة بعد الطباعة. وفي هذه الحالة، استخدم الفريق ذلك لصالحه.

وقال: “بدلاً من إزالة البوليمر بالكامل، نقوم بتحليله جزئيًا”. “بعد ذلك، عندما نمرر تيارًا عبر الجهاز، فإننا نحفز المزيد من تحلل البوليمر. ويحدث هذا التحلل بطريقة غير متجانسة مكانيًا، مما يؤدي إلى تكوين خيوط موصلة، بحيث ينحصر كل التيار في منطقة ضيقة في الفضاء.”

يخلق هذا المسار الموصل الضيق استجابة كهربائية مفاجئة تشبه إطلاق الخلايا العصبية. ونتيجة لذلك، يمكن للخلايا العصبية الاصطناعية إنتاج مجموعة واسعة من الإشارات، بما في ذلك المسامير الفردية، وإطلاق النار المستمر، وأنماط الانفجار، مما يعكس بشكل وثيق النشاط العصبي الحقيقي.

ونظرًا لأن كل جهاز يمكنه التعامل مع إشارات أكثر تعقيدًا، فإن هناك حاجة إلى عدد أقل من المكونات بشكل عام، مما قد يؤدي إلى تحسين الكفاءة بشكل كبير في أنظمة الحوسبة المستقبلية.

اختبار الخلايا العصبية الاصطناعية على الأنسجة الحية

لتحديد ما إذا كانت هذه الخلايا العصبية الاصطناعية يمكنها التفاعل مع الأنظمة البيولوجية الحقيقية، تعاون الفريق مع إنديرا إم رامان، أستاذة بيل وجايل كوك لعلم الأحياء العصبية في جامعة واينبرغ. طبقت مجموعتها الإشارات الاصطناعية على شرائح من مخيخ الفأر.

وأظهرت النتائج أن المسامير الكهربائية تطابق السمات الرئيسية لنشاط الخلايا العصبية الطبيعية، بما في ذلك التوقيت والمدة. قامت هذه الإشارات بتنشيط الخلايا العصبية الحقيقية بشكل موثوق وتحفيز الدوائر العصبية بطريقة مشابهة لإشارات الدماغ الطبيعية.

وقال هيرسام: “لقد حاولت مختبرات أخرى صنع خلايا عصبية اصطناعية باستخدام مواد عضوية، ولكنها ارتفعت ببطء شديد”. “أو استخدموا أكاسيد معدنية، وهي سريعة جدًا. نحن ضمن نطاق زمني لم يتم إثباته سابقًا بالنسبة للخلايا العصبية الاصطناعية. يمكنك رؤية الخلايا العصبية الحية تستجيب لخلايانا العصبية الاصطناعية. لذلك، أظهرنا إشارات ليست فقط في النطاق الزمني الصحيح ولكن أيضًا الشكل المناسب للتفاعل المباشر مع الخلايا العصبية الحية.”

التصنيع الفعال وآثاره على الذكاء الاصطناعي

ويقدم النهج الجديد أيضًا فوائد بيئية وعملية. عملية التصنيع بسيطة وفعالة من حيث التكلفة، وتستخدم طريقة الطباعة المضافة المواد بكفاءة من خلال وضعها فقط عند الحاجة، مما يقلل من النفايات.

يعد تحسين كفاءة استخدام الطاقة أمرًا مهمًا بشكل خاص مع استمرار توسع أنظمة الذكاء الاصطناعي. تستهلك مراكز البيانات الكبيرة بالفعل كميات هائلة من الطاقة وتتطلب كمية كبيرة من المياه للتبريد.

وقال هيرسام: “لتلبية متطلبات الذكاء الاصطناعي من الطاقة، تقوم شركات التكنولوجيا ببناء مراكز بيانات جيجاوات مدعومة بمحطات طاقة نووية مخصصة”. “من الواضح أن هذا الاستهلاك الهائل للطاقة سيحد من توسيع نطاق الحوسبة لأنه من الصعب تخيل مركز بيانات من الجيل التالي يتطلب 100 محطة للطاقة النووية. والمشكلة الأخرى هي أنه عندما تبدد جيجاوات من الطاقة، يكون هناك الكثير من الحرارة. ونظرًا لأن مراكز البيانات يتم تبريدها بالماء، فإن الذكاء الاصطناعي يضع ضغطًا شديدًا على إمدادات المياه. ومهما نظرت إلى الأمر، فنحن بحاجة إلى التوصل إلى أجهزة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة للذكاء الاصطناعي.”

المرجع: “مطبوع MoS₂ شبكات نانوية ذكرياتية لخلايا عصبية متصاعدة ذات تعقيد متعدد الترتيب” بقلم شرياش س. هادكي، كارول ن. كلينجلر، سبنسر تي براون، ميجانا هولا، زودونغ تشوانغ، ليندا لي، إم إقبال باكتي أوتاما، سانتياغو دياز-أراوزو، أنوراغ شاباجين، سيانغ لي، جونغ هون لي، إنديرا إم رامان، فينود ك. سانجوان و مارك سي هيرسم، 15 أبريل 2026، تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-026-02149-6

تم دعم الدراسة من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.