בינה מלאכותית: פותח שבב המחקה פעילות מוחית

במשך עשרות שנים, מדענים חלמו על יצירת מערכת מחשב שתוכל לשכפל את כישרונו של המוח האנושי ללמידת בעיות חדשות.

מדענים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס עשו כעת צעד משמעותי לקראת השגת מטרה זו על ידי פיתוח שבב מחשב המחקה את האופן שבו נוירוני המוח מסתגלים בתגובה למידע חדש. תופעה זו, המכונה פלסטיות, נחשבת כבסיס לתפקודים רבים במוח, כולל למידה וזיכרון.

בעזרת כ-400 טרנזיסטורים, שבב הסיליקון יכול לחקות את הפעילות של סינפסה מוחית אחת - החיבור בין שני נוירונים המאפשר את העברת המידע מנוירון אחד לאחר. החוקרים מצפים שהשבב יסייע למדעני מוח ללמוד הרבה יותר על אופן פעולת המוח, ויוכל לשמש גם לפיתוח תותבות עצביות כמו רשתיות מלאכותיות, אומר ראש הפרויקט צ'י-סאנג פון.

מידול סינפסות

במוח ישנם כ-100 מיליארד נוירונים, שכל אחד מהם יוצר סינפסות עם נוירונים רבים אחרים. סינפסה היא החלל בין שני נוירונים (נוירונים פרה-סינפטיים ופוסט-סינפטיים). הנוירון הפרה-סינפטי משחרר נוירוטרנסמיטרים כמו גלוטמט ו-GABA, אשר נקשרים לקולטנים על הממברנה הפוסט-סינפטית של התא, ומפעילים תעלות יונים. הפתיחה והסגירה של תעלות אלו גורמות לשינוי הפוטנציאל החשמלי של התא. אם הפוטנציאל משתנה באופן דרמטי מספיק, התא יורה דחף חשמלי הנקרא פוטנציאל פעולה.

כל הפעילות הסינפטית תלויה בתעלות יונים, אשר שולטות על זרימת היונים הטעונים כגון נתרן, אשלגן וסידן. תעלות אלו הן גם מפתח בשני תהליכים המכונים פוטנציאציה ארוכת טווח (LTP) ודיכוי ארוך טווח (LTD), אשר מחזקים ומחלישים סינפסות, בהתאמה.

המדענים תכננו את שבב המחשב שלהם כך שהטרנזיסטורים יוכלו לחקות את הפעילות של תעלות יונים שונות. בעוד שרוב השבבים פועלים במצב בינארי של הפעלה/כיבוי, הזרמים החשמליים בשבב החדש זורמים דרך הטרנזיסטורים במצב אנלוגי. מפל של פוטנציאל חשמלי גורם לזרם לזרום דרך הטרנזיסטורים באותו אופן שבו יונים זורמים דרך תעלות יונים בתא.

"אנחנו יכולים לכוונן את הפרמטרים של המעגל כדי להתמקד בתעלת יונים מסוימת", אומר פון. "כעת יש לנו דרך ללכוד כל תהליך יונים שמתרחש בנוירון."

השבב החדש מייצג "התקדמות משמעותית במאמצים לחקור נוירונים ביולוגיים ופלסטיות סינפטית על שבב CMOS [מוליך למחצה משלים מתכת-תחמוצת]", אומר דין בונומנו, פרופסור לנוירוביולוגיה באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, ומוסיף כי "רמת הריאליזם הביולוגי מרשימה".

המדענים מתכננים להשתמש בשבב שלהם כדי ליצור מערכות לסימולציה של תפקודים עצביים ספציפיים, כמו מערכת עיבוד חזותי. מערכות כאלה יכולות להיות מהירות בהרבה ממחשבים דיגיטליים. אפילו מערכות מחשב בעלות ביצועים גבוהים לוקחות שעות או ימים כדי לדמות מעגלים פשוטים במוח. בעזרת המערכת האנלוגית של השבב, הסימולציות מהירות יותר מאשר במערכות ביולוגיות.

שימוש פוטנציאלי נוסף לשבבים אלה הוא התאמה אישית של אינטראקציות עם מערכות ביולוגיות, כגון רשתיות ומוחות מלאכותיים. בעתיד, שבבים אלה יוכלו להפוך לאבני בניין עבור מכשירי בינה מלאכותית, אומר פון.