ปัญญาประดิษฐ์: พัฒนาชิปเลียนแบบกิจกรรมของสมอง

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ใฝ่ฝันที่จะสร้างระบบคอมพิวเตอร์ที่สามารถจำลอง พรสวรรค์ ของสมองมนุษย์ในการเรียนรู้ปัญหาใหม่ๆ ได้

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้ก้าวไปอีกขั้นในการบรรลุเป้าหมายดังกล่าวด้วยการพัฒนาชิปคอมพิวเตอร์ที่เลียนแบบวิธีการปรับตัวของเซลล์ประสาทในสมองเมื่อได้รับข้อมูลใหม่ ปรากฏการณ์นี้ซึ่งเรียกว่าความยืดหยุ่น เชื่อกันว่าเป็นพื้นฐานของการทำงานหลายอย่างของสมอง รวมถึงการเรียนรู้และความจำ

ด้วยทรานซิสเตอร์ประมาณ 400 ตัว ชิปซิลิกอนสามารถเลียนแบบกิจกรรมของไซแนปส์ในสมองเพียงอันเดียวได้ ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทสองเซลล์ที่อำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนข้อมูลจากเซลล์ประสาทหนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง นักวิจัยคาดว่าชิปดังกล่าวจะช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญด้านประสาทวิทยาเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของสมองได้มากขึ้น และยังสามารถนำไปใช้ในการพัฒนาอวัยวะเทียมสำหรับประสาท เช่น จอประสาทตาเทียมได้อีกด้วย ชี-ซาง พูน หัวหน้าโครงการกล่าว

การสร้างแบบจำลองไซแนปส์

ในสมองมีเซลล์ประสาทประมาณ 100,000 ล้านเซลล์ ซึ่งแต่ละเซลล์จะสร้างไซแนปส์ร่วมกับเซลล์ประสาทอื่นๆ อีกมากมาย ไซแนปส์คือช่องว่างระหว่างเซลล์ประสาทสองเซลล์ (เซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์และหลังไซแนปส์) เซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์จะปล่อยสารสื่อประสาท เช่น กลูตาเมตและกาบา ซึ่งจะจับกับตัวรับบนเยื่อหลังไซแนปส์ของเซลล์ ทำให้ช่องไอออนถูกกระตุ้น การเปิดและปิดช่องไอออนเหล่านี้ทำให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เปลี่ยนแปลง หากศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างมาก เซลล์จะปล่อยกระแสไฟฟ้าที่เรียกว่าศักย์การทำงาน

กิจกรรมซินแนปส์ทั้งหมดขึ้นอยู่กับช่องไอออน ซึ่งควบคุมการไหลของไอออนที่มีประจุ เช่น โซเดียม โพแทสเซียม และแคลเซียม ช่องไอออนเหล่านี้ยังเป็นกุญแจสำคัญในสองกระบวนการที่เรียกว่าการเสริมความแข็งแกร่งในระยะยาว (LTP) และการกดความแข็งแกร่งในระยะยาว (LTD) ซึ่งทำให้ซินแนปส์แข็งแกร่งขึ้นและอ่อนแอลงตามลำดับ

นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบชิปคอมพิวเตอร์ของตนเพื่อให้ทรานซิสเตอร์สามารถเลียนแบบกิจกรรมของช่องไอออนต่างๆ ได้ แม้ว่าชิปส่วนใหญ่จะทำงานในโหมดเปิด/ปิดแบบไบนารี แต่กระแสไฟฟ้าบนชิปใหม่จะไหลผ่านทรานซิสเตอร์ในโหมดแอนะล็อก ความต่างศักย์ไฟฟ้าทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทรานซิสเตอร์ในลักษณะเดียวกับที่ไอออนไหลผ่านช่องไอออนในเซลล์

“เราปรับพารามิเตอร์ของวงจรให้โฟกัสที่ช่องไอออนเฉพาะได้” พูนกล่าว “ตอนนี้เรามีวิธีที่จะจับภาพกระบวนการไอออนทุกขั้นตอนที่เกิดขึ้นในเซลล์ประสาทแล้ว”

ชิปใหม่นี้ถือเป็น "ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในความพยายามศึกษาเซลล์ประสาททางชีวภาพและความยืดหยุ่นของซินแนปส์บนชิป CMOS [สารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์เสริม]" ดร. Dean Buonomano ศาสตราจารย์ด้านประสาทชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลิส กล่าว และเสริมว่า "ระดับความสมจริงทางชีววิทยาถือว่าน่าประทับใจ"

นักวิทยาศาสตร์วางแผนที่จะใช้ชิปของตนเพื่อสร้างระบบสำหรับจำลองการทำงานของระบบประสาทเฉพาะ เช่น ระบบประมวลผลภาพ ระบบดังกล่าวอาจทำงานได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ดิจิทัลมาก แม้แต่ระบบคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงก็ต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงหรือหลายวันในการจำลองวงจรสมองง่ายๆ แต่ด้วยระบบแอนะล็อกของชิป การจำลองจึงเร็วกว่าในระบบทางชีววิทยา

การใช้งานที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งของชิปเหล่านี้คือการปรับแต่งการโต้ตอบกับระบบทางชีววิทยา เช่น จอประสาทตาเทียมและสมอง ในอนาคต ชิปเหล่านี้อาจกลายเป็นส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ปัญญาประดิษฐ์ได้ Poon กล่าว