מדענים יוצרים מחשב דמוי מוח ראשון באמצעות מים ומלח

פיזיקאים תיאורטיים באוניברסיטת אוטרכט, יחד עם פיזיקאים ניסויים באוניברסיטת סוגנג בדרום קוריאה, הצליחו לבנות מכשיר מלאכותי סינפסה. סינפסה זו פועלת עם מים ומלח ומספקת את ההוכחה הראשונה לכך שמערכת המשתמשת באותו מדיום כמו המוח שלנו יכולה לעבד מידע מורכב. התוצאות פורסמו בכתב העת המדעי הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.

במרדף אחר שיפור היעילות האנרגטית של מחשבים קונבנציונליים, מדענים פנו זה מכבר למוח האנושי כדי לקבל השראה. הם שואפים לחקות את היכולת יוצאת הדופן שלו בדרכים שונות. מאמצים אלה הובילו לפיתוח מחשבים דמויי מוח, אשר חורגים מעיבוד בינארי מסורתי לאמץ שיטות אנלוגיות הדומות למוח שלנו. עם זאת, בעוד שהמוח שלנו פועל באמצעות מים וחלקיקי מלח מומסים הנקראים יונים כמדיום, רוב המחשבים הנוכחיים בהשראת המוח מסתמכים על חומרים מוצקים קונבנציונליים.

זה מעלה את השאלה: האם לא נוכל להשיג שכפול נאמן יותר של פעולת המוח על ידי אימוץ אותו מדיום? אפשרות מסקרנת זו נמצאת בלב התחום המתפתח של מחשוב נוירומורפי יונטרוני.

סינפסה מלאכותית

במחקר האחרון שפורסם ב PNAS, מדענים, בפעם הראשונה, הדגימו מערכת הנשענת על מים ומלח המפגינה את היכולת לעבד מידע מורכב, המשקפת את הפונקציונליות של המוח שלנו. מרכזי בתגלית זו הוא מכשיר דקה בגודל 150 על 200 מיקרומטר, המחקה התנהגות של סינפסה – מרכיב חיוני במוח שאחראי על העברת אותות בין נוירונים.

טים קסממה, מועמד לדוקטורט במכון לפיזיקה תיאורטית ובמכון המתמטי של אוניברסיטת אוטרכט, והמחבר הראשי של המחקר, מביע את התרגשותו וקובע, "בעוד שסינפסות מלאכותיות שמסוגלות לעבד מידע מורכב כבר קיימות על בסיס חומרים מוצקים, אנו מראים כעת לראשונה שניתן להשיג את ההישג הזה גם באמצעות מים ומלח". הוא מדגיש, "אנחנו משכפלים ביעילות התנהגות נוירונית באמצעות מערכת שמשתמשת באותו מדיום כמו המוח."

"אולי זה יסלול את הדרך למערכות מחשוב המשכפלות את היכולות יוצאות הדופן של המוח האנושי בצורה נאמנה יותר".
— טים קסממה, מועמד לדוקטורט וסופר ראשי

נדידת יונים

המכשיר, שפותח על ידי מדענים בקוריאה ומכונה ממריסטור יונטרוני, מורכב ממיקרו-תעלה בצורת חרוט מלאה בתמיסה של מים ומלח. עם קבלת דחפים חשמליים, יונים בתוך הנוזל נודדים דרך התעלה, מה שמוביל לשינויים בריכוז היונים. בהתאם לעוצמת (או משך) הדחף, המוליכות של הערוץ מתאימה בהתאם, משקפת את התחזקות או היחלשות הקשרים בין נוירונים. מידת השינוי במוליכות משמשת כייצוג מדיד של אות הכניסה.

ממצא נוסף הוא שאורך התעלה משפיע על משך הזמן הנדרש להתפוגגות שינויים בריכוז. "זה מצביע על האפשרות להתאים ערוצים לשמירת מידע ולעיבודו לאורך זמן משתנים, שוב בדומה למנגנונים הסינפטיים שנצפו במוח שלנו", מפרט קסממה.

וואו!

את תחילתה של תגלית זו ניתן לייחס לרעיון שהגה קסממה, שהחל את מחקר הדוקטורט שלו לא מזמן. הוא הפך את המושג הזה – שבמרכזו ניצול תעלות יונים מלאכותיות למשימות סיווג – למודל תיאורטי חזק.

"במקרה, הדרכים שלנו הצטלבו עם קבוצת המחקר בדרום קוריאה באותה תקופה", נזכר קסממה. "הם אימצו את התיאוריה שלי בהתלהבות רבה ויזמו במהירות עבודה ניסיונית על פיה". למרבה הפלא, הממצאים הראשוניים התממשו רק שלושה חודשים לאחר מכן, תוך התאמה הדוק עם התחזיות המתוארות במסגרת התיאורטית של קסממה. "חשבתי וואו!" הוא משקף. "זה משמח להפליא לראות את המעבר מהשערה תיאורטית לתוצאות מוחשיות בעולם האמיתי, שבסופו של דבר מביאות לתוצאות הניסוי היפות הללו."

צעד משמעותי קדימה

קסממה מדגישה את הטבע הבסיסי של המחקר, ומדגישה שמחשוב נוירומורפי יונטרוני, בעודו חווה צמיחה מהירה, עדיין בחיתוליו. התוצאה החזויה היא מערכת מחשוב עדיפה בהרבה ביעילות ובצריכת אנרגיה בהשוואה לטכנולוגיה של ימינו. עם זאת, האם החזון הזה יתממש נותר ספקולטיבי בשלב זה. עם זאת, קסממה רואה בפרסום צעד משמעותי קדימה.

"זה מייצג התקדמות מכרעת לקראת מחשבים המסוגלים לא רק לחקות את דפוסי התקשורת של המוח האנושי אלא גם להשתמש באותו מדיום", הוא טוען. "אולי זה יסלול בסופו של דבר את הדרך למערכות מחשוב המשכפלות את היכולות יוצאות הדופן של המוח האנושי בצורה נאמנה יותר".

מחקר הדוקטורט של טים קסממה מקבל מימון מקהילת Science for Sustainability של אוניברסיטת אוטרכט. באמצעות תוכנית הדוקטורט שלה, הקהילה מטפחת מחקר בינתחומי ובסיסי בקיימות.