((تراشه‌های سیلیکُنی کارکردهای مغز انسان را بر عهده می‌گیرند))

شرحی از تلاش دانشمندان در طراحی و ساخت اسبک مصنوعی برای مغز

ترجمه و تألیف از: فرزین آقازاده

هرچه دانش بشر افزون‌تر می‌شود و دستان او به نیروی فن توان بیشتری می‌یابد، دانشمندان را یارای پوشاندن جامۀ واقعیت بر تن رؤیاهای جاری بر قلم نویسندگان خوش‌فکر و خیال‌پرداز داستانهای علمی-تخیلی نیز فزونی می‌گیرد. هنوز زمان زیادی نمی‌گذرد از آن هنگام که برای نخستین بار در فیلمهای سینمایی انسانهایی را به تصویر کشیدند که در سرشان تراشه‌هایی کوچک کار گذاشته شده تا انجام کارهای خارق‌العاده برایشان ساده و آسان شود. احتمالاً در آینده‌ای نه‌چندان دور چنین انسانهایی را به چشم خود خواهیم دید البته نه در حال پرواز بر فراز برجها و ساختمانهای بلند، که در کوچه و خیابان و در میان مردم عادی، چرا که آنها قهرمانهای داستانهای کودکان نخواهند بود بلکه بیمارانی که پزشکان تراشه‌های سیلیکُنی در مغزشان کار خواهند گذاشت تا از بیماریهایی مثل آلزایمر نجات یابند. به هر حال باید منتظر نتایج پژوهشها و آزمایشهای دانشمندان بمانیم و آنگونه که از اخبار برمی‌آید در گوشه و کنار دنیا موفقیتهایی نیز در این راه حاصل شده است. اکثر بررسیها و آزمایشهایی که تا کنون انجام شده، دربارۀ کارکرد بخشی از مغز به نام ‹‹هیپوکامپوس›› یا «اسبک» بوده است، که از قرار معلوم وظیفۀ تبدیل داده‌های موجود در حافظۀ کوتاه‌مدت به خاطرات و محفوظات بلندمدت را بر عهده دارد. برخی از بیماریها و صدماتی که نقصان حافظه و فراموشی و از یاد بردن خاطرات را درپی دارند در اثر آسیب‌دیدگی همین بخش از مغز عارض می‌شوند. هنگامی که برای کسی حادثه‌ای پیش آید امکان دارد که بخشهایی از مغز او از جمله اسبک دچار آسیبهایی شود در نتیجه او با اختلالاتی در قدرت یادآوری خاطرات روبرو شود. دانشمندان مدتها است در این اندیشه‌اند که برای درمان یک چنین مشکلاتی راه علاجی بیابند. آنها تلاش خود را بر روی ساخت ابزار مصنوعی جایگزینی برای بازسازی عملکرد هیپوکامپوس معطوف کرده‌اند. در این زمینه دست کم از سال ۲۰۰۲ خبرهایی از فعالیتهای پژوهشگران در دانشگاهها و مؤسسات تحقیقاتی مختلف در رسانه‌های خبری انعکاس یافته است. ممکن است روزی فرا رسد که ‌ی کامپیوتری بتواند همۀ وظایف هیپوکامپوس را در مغز عهده‌دار شود. این هدفی است که دکتر ‹‹تئودور بِرگِر››، استاد مهندسیِ زیست‌پزشکی در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در شهر لُس‌آنجلس ( UCLA) و مدیر مرکز ‹‹مهندسی اعصاب^۲›› آنجا، در پی تحقق آن است. وی بیش از یک دهه است که بر سر این کار وقت صرف کرده است. یکی از خواسته‌های او درمان بیماری آلزایمر است. این بیماری نیز انگار که در مراحل اولیه با کوچک شدن اسبک آغاز می‌‌شود. تراشه‌ای که دکتر برگر در این سالها قصد ساخت آن را داشته است شاید در درمان این بیماری نیز به کار آید. اما این تنها بهرۀ ممکن یک چنین ابداعی نخواهد بود بلکه از این طریق اختلالات گفتاری ناشی از سکته و یا مشکلات حافظۀ بیمار که در مبتلایان صرع دیده می‌شود نیز احتمالاً قابل درمان خواهد بود. در واقع گروه پژوهشی دکتر برگر، از ۶ گروه کوچکتر تشکیل می‌شود که در طی این مدت در چند آزمایشگاه به کار و تلاش مشغول بوده‌اند و دانشگاههای کالیفرنیای جنوبی، کنتاکی و وِیک‌فارِست از جمله مؤسساتی هستند که در این طرح با هم همکاری کرده‌اند.

اما نه تنها برای عامۀ مردم که برای دانشمندان نیز کارکرد مغز و ساختار آن به قدری پیچیده به نظر می‌رسد که حتی امکان ساخت یک عضو مصنوعی که تنها بخشی از فعالیتهای مغز را عهده‌دار شود نیز بعید می‌نماید. دکتر برگر و همکارانش برای غلبه بر پیچیدگیهای مغزانسان قدم به قدم پیش می‌روند. روشی که ایشان در پیش گرفته‌اند در گام اول بر شکل دادن الگوهایی ریاضی برای شبیه‌سازی روند فراوری اطلاعات در یاخته‌های عصبی هیپوکامپوس متمرکز بوده است. البته ایشان در آغازِ کار مطابق معمول موشها را برای آزمایش برگزیده‌اند چراکه عملکرد این بخش از مغز آنها به عملکرد عضو نظیرش در مغز انسان شبیه است. تلاش ایشان در مرحله دوم با طراحی مداراتی ریز و پیچیده بر مبنای این الگوهای ریاضی کامل می‌شود به نحوی که کارکرد این مدارهای الکتریکی همانند عملکرد هیپوکامپوس از کار در بیاید و آنچه در مرحلۀ سوم باید محقق شود متصل کردن تراشۀ حامل مدارهای ریز به بافت زندۀ عصبی و خود مغز است. اخباری که در سالهای ۲۰۰۳ و ۲۰۰۴ در برخی سایتهای خبری شبکۀ اینترنت منتشر شد از حصول موفقیتهایی در طرح پژوهشی دکتر برگر و گروهش حکایت می‌کرد. از قرار معلوم آنها دو گام اول و دوم را با موفقیت طی کرده‌اند اما در مورد مرحلۀ سوم گویا هنوز در نیمۀ راه باشند. در ۱۲ام مارس ۲۰۰۳ سایت خبری ‹‹نیوساینتیست››، خبری را منتشر نمود با عنوان ‹‹ساخت نخستین اندام مصنوعی مغزی^۳›› که با ذکر برخی جزئیات، بیش از پیش امکان تحقق اهداف پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیای جنوبی را نوید می‌داد و در خبری دیگر^۴ آمده بود که آنان پس از ایجاد الگوهای ریاضی و پیاده کردنشان بر روی تراشه‌های کوچک، عملکرد این اندام مصنوعی را نسبت به عملکرد بافت زنده نگه داشته شدۀ مغز موش سنجیده‌اند و جواب آزمایش تا ۹۵ درصد صحت آن را تایید نموده است اما انگار که کار هنوز به قرار دادن تراشه بر روی مغز موش زنده و آزمودن آن نرسیده باشد.

براساس آنچه تا کنون در معرض اطلاع عموم قرار داده شده برخی از نکات روش کاری آنها بر ما روشن می‌شود ازجمله که ایشان برای تهیۀ الگوهای ریاضی، در ابتدا برشهای نازکی از هیپوکامپوس موش را تهیه می‌کردند به شکلی که امکان زنده نگهداشتن این لایه‌های جدا شده برای یکی دو روز و در محیط مناسب آزمایشگاهی وجود داشته باشد. سپس با دانستن اینکه هریک از این لایه‌های نازک در بردارندۀ مدارها و ساختارهای ریز و طبیعی اسبک مغز است به مطالعۀ نحوۀ عملکرد و ارتباطات یاخته‌های عصبی موجود در آن می‌پرداختند. دکتر برگر می‌گوید: “نورُنها اطلاعات را به صورت پالسهایی با فاصله‌های معین ارسال می‌کنند که فاصله‌های متفاوت میان پالسها مانند علامتهای مورس دربردارندۀ رمزها و اطلاعات ‌اشد.” وقتی که این یاخته‌های عصبی الگویی را دریافت می‌کنند از خود واکنش نشان داده، طی فرآیندی الگوی خروجی خاصی را از خود صادر می‌کنند. وی در مورد نحوۀ تقلید رفتار یاخته های عصبی می‌گوید: “ما براساس عملکرد یک نورُن در دریافت و پردازش یک علامت ورودی و بیرون دادن علامتی دیگر، الگوهای ریاضی ایجاد کرده‌ایم تا بتوانیم آن عملکرد را همانندسازی کنیم .”

با این اوصاف، کار یک یاختۀ عصبی سیلیکُنی این خواهد بود که به مانند نورُنی که جایگزین آن می‌شود، با حس کردن ضربانهای الکتریکی، پاسخی دهد مشابه آنچه یاخته‌های هیپوکامپوس از خود بیرون می‌دهند. در ضمن این امکان نیز باید به وجود بیاید که این پاسخها از یاخته های سیلیکُنی به بخشهای زندۀ مغز فرستاده شوند.

اما الگوهای ریاضی مورد بحث در طی آزمایشهای مکرری بدست آمده‌اند به این ترتیب که همۀ انواع محتمل پیامهای الکتریکی ورودی، از یک سو برای بافت زندۀ برگرفته از مغز ایجاد شده و از سوی دیگر خروجی معادل هریک از آنها ضبط شده است. آنگاه صورت‌بندیِ ریاضیِ مبدلی که آن ورودیها را به همان خروجیهای ضبط شده تبدیل کند تهیه شده است. یکی از اساتید مهندسی پزشکی دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، دکتر برگر را در شکل دادن به این الگوهای ریاضی یاری داده است. وظیفۀ تبدیل الگوهای ریاضی به مدارات روی تراشه های الکترونیکی ریز را هم یکی دیگر از همکاران دکتر برگر به نام دکتر ‹‹جان گراناکی^۵›› عهده‌دار بوده است. وی می‌گوید: “این تراشه‌ها بر اساس الگوهای ریاضی تهیه شده عمل می‌کنند. آنها درست مانند شبکه‌ای از سلولهای عصبی اسبک رفتار می‌کنند. ” قصد ایشان در آغاز کار این بوده که از تراشه‌هایی شروع کنند که توان بازسازی عملکرد ۵۰ تا ۱۰۰ یاختۀ عصبی را داشته باشند و آنگاه تراشه‌هایی با توان بیشتر و معادل ۱۰۰۰۰ یاخته بسازند و نهایتاً کل هیپوکامپوس را شبیه‌سازی کنند. دکتر ‹‹ساموئل دِدویلر^۶››، معاون بخش فیزیولوژی و داروشناسی دانشگاه وِیک‌فارِست که او نیز همکار دیگر دکتر برگر بوده است تلاش کرده تا فعالیتهای هیپوکامپوس مغز موشها را در هنگامی که مغز آنها در حال به یادآوری چیزی است و حافظه‌شان فعال است ضبط کند. با این کار وی موفق شده است که تفاوتهایی را در الگوی فعال شدن یاخته‌های اسبک مغز موش شناسایی کند و بر اساس این تفاوتها بداند که چه موقع موش یک آموختۀ خود را درست به یاد آورده است و چه موقع نادرست. شایان توجه است که تا کنون اندامهای مصنوعی الکترونیکی، یا به منظور تقویت حواس در کسانی که دچار ضعف یکی از حواس پنجگانۀ خود به‌ویژه حس شنوایی هستند طراحی می‌شده، یا برای کمک به کسانی بوده که مشکلات حرکتی دارند و مثلاً فلج اندامها توانایی حرکت را از ایشان سلب کرده است. در این قبیل موارد با اندامهای مصنوعی و ابزارهای کمکی این امکان برای بیماران فراهم می‌آید که تکانه‌ها و پیامهای الکتریکی مغزشان به حرکت مکانیکی تبدیل شود. اما کاری که گروه پژوهشی دکتر برگر سرگرم آن هستند به‌کل متفاوت است. ایشان در واقع با کارگذاشتن اندام مصنوعی طراحی شدۀ خود، در عملکرد ادراکی مغز دخالت خواهند کرد.

به‌مانند هر تلاش دیگری که دانشمندان در شبیه‌سازی عملکردهای مغزی و فکری انسان انجام می‌دهند، این بار هم مخالفتهایی از جانب اخلاق‌گرایان ابراز شده است. ‹‹جُئِل اَندِرسُن^۷›› از دانشگاه واشنگتن در ایالت میسوری آمریکا، از این جمله است؛ وی گمان می‌کند که یک چنین ابزاری تنها برروی حافظه تاثیر ندارد بلکه شخصیت و آگاهی و هشیاری فرد را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهد. چیزهایی که همه از اجزای تشکیل‌دهندۀ هویت یک انسان به شمار می‌روند.

به هر حال دانشمندان آرزوهای بزرگتری در سر می‌پرورانند. آنها اسبک مغز را به عنوان شروع کار برگزیده‌اند و آن را سرآغاز ورود بشر به عرصۀ شناخت همه جانبۀ کارکردهای مغز و دخل و تصرف در آن می‌دانند. البته باید توجه داشت که اسبک منظم‌ترین و خط‌کشی‌شده‌ترین بخش مغز است و تا کنون نیز نسبت به سایر اجزای مغز بیشتر روی آن مطالعه شده است. اگر این بخش مغز انسان از کار بیفتد عملاً دیگر هیچ رویدادی در مغز انسان به خاطره تبدیل نخواهد شد و یاد او تنها قادر به نگهداری کوتاه مدت اطلاعات خواهد بود. یک چنین وضعی همانند فیلم علمی-تخیلی ‹‹مِمِنتو›› محصول سال ۲۰۰۰ است که قهرمان آن برای به خاطر سپردن هرکاری مجبور بود برای خود نشانه‌ای و یادداشتی حتی روی بدنش خال‌کوبی کند تا در آینده قادر به یادآوری آن باشد.

و اما در منزلگاه اینترنتی ‹‹ساینس دیلی››، به نقل از نسخۀ اینترنتی نشریۀ ‹‹نوروفیزیولوژی›› به تاریخ ۱۰ام ماه می ۲۰۰۶ دربارۀ گروه دیگری از دانشمندان به سرپرستی ‹‹پیتر فُرمهِرتز^۸›› در مؤسسۀ ‹‹ماکس پلانک›› در حوالی شهر مونیخ آلمان، خبری آمده است مبنی بر موفقیت این گروه در ایجاد اتصال میان یک تراشۀ کامپیوتری، با بافت زندۀ مغز موش. ظاهراً اهدافی که ایشان در این پژوهش دنبال می‌کنند از قبیل فراهم آوردن امکان بررسی آثار مواد دارویی برروی فعالیت نورُنها و یا انجام هرگونه مطالعات دیگری در مورد نحوۀ کارکرد سلولهای مغزی است، اما به هر حال روش کار آنها مشابهتهایی با روش کار دکتر برگر دارد از جمله ایشان نیز برشهایی از هیپوکامپوس مغز موش را تهیه کرده‌اند و آن را برروی تراشه‌هایی که روی آنها پر از ترانزیستورهای حسگر است، کاشته‌اند. تراکم این قطعات ریز برروی هر تراشه به اندازۀ ۱۶۳۴۸ عدد در هر میلیمتر مربع است و به طور متوسط در هر مربعی به ضلع ۱۰ میکرون ۱٫۶ ترانزیستور قرار می‌گیرد و تقریباً به هر یاختۀ عصبی یک ترانزیستور می‌رسد. کار این ترانزیستورهای حسگر، ثبت فعالیت الکتریکی نورُنها است به این ترتیب که پس از تحریک شدن یاخته‌های عصبی، جریانهای الکتریکی ظریفی در محل پیوند یاخته‌های عصبی (سیناپسها یا همایه‌ها) ایجاد می‌شود، که ترانزیستورها همین جریانها را دریافت و ثبت می‌کنند. با این روش آنها توانسته‌اند با دقت بیشتری نسبت به روشهای پیشین، فعالیت و در واقع ارتباطات درونی یک تودۀ زنده از یاخته های عصبی را مشاهده کرده و از رهاورد آن به بررسی تاثیر ترکیبات دارویی بر شبکۀ یاخته‌های عصبی بپردازند.

در هر حال دانشمندان سخت در تلاش اند تا به درون هزارتوی پیچ‌درپیچ مغز که شاید آخرین پناهگاه تسخیرنشدۀ دانش شناخت انسان باشد، نفوذ کنند و به زوایای پنهان آن دست یابند و دیر یا زود در این کار توفیق خواهند یافت. بسیار ممکن خواهد بود که این خود سرآغازی باشد بر فصلی نو در تاریخ زندگی بشر چراکه دنیای آینده برپایۀ فناوری ترکیب پیکرهای زنده و دستگاههای ساختۀ دست بشر بنا خواهد شد؛ دنیایی که در آن انسانها از ذهنهایی بسط‌یافته با کارایی بسیار بیشتر از ذهن امروزی ما برخوردار خواهند بود.

پی‌نوشتها:

۱٫    این مطلب برگرفته از چند منزلگاه اینترنتی به نشانیهای زیر است:

http://tech2.nytimes.com

http://www.wired.com

http://www.newscientist.com

http://www.sciencedaily.com

۲٫    Neural Engineering، رشته‌ای تازه است که بر مبنای چند رشتۀ گوناگون علمی پا گرفته و کار آن شناخت و دخل و تصرف در عملکرد دستگاه عصبی است.

۳٫    نشانی این خبر به قرار زیر است:

http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn3488

۴٫    نشانی این خبر به قرار زیر است:

http://www.wired.com/news/medtech/1,65422-0.html

۵٫    John J. Granacki؛

۶٫    Samuel A. Deadwyler؛

۷٫    Joel Anderson؛

۸٫    Peter Formherz؛

پیوندهای مرتبط:

این مقاله به تاریخ ۱۱ تیرماه ۱۳۸۵ در روزنامۀ شرق نیز به چاپ رسیده است .