ساخت شبکه‌هایی شبیه به مغز انسان با کمک کشت سلول‌های عصبی!

به گزارش مجله خبری نگار/سیناپرس، مغز انسان با حدود ۸۶ میلیارد نورون، همچنان پیچیده‌ترین ساختار شناخته‌شده جهان است و امروزه علاوه بر پزشکی، به یکی از مهمترین محور‌های رقابت علمی و فناوری کشور‌ها تبدیل شده است. ایران نیز با توسعه پژوهش‌های علوم اعصاب و فناوری‌های شناختی، تلاش می‌کند سهمی در آینده بازاری داشته باشد که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰ ارزشی بین ۵۰ تا ۷۲ میلیارد دلار پیدا کند.

در دل جمجمه انسان، اندامی حدود یک‌ونیم کیلوگرمی قرار گرفته که با وجود وزن اندکش، پیچیده‌ترین ساختار شناخته شده جهان را دارد. “مغز”، فرمانده خاموش بدن و اندامی که هر تپش قلب، هر حرکت دست، هر واژه، هر خاطره، هر رؤیا و هر تصمیم، از شبکه‌ای متشکل از حدود ۸۶ میلیارد نورون و صد‌ها تریلیون اتصال عصبی آن سرچشمه می‌گیرد.

از نخستین آتش‌هایی که انسان برافروخت تا سفر به ماه، از خلق شاهکار‌های ادبی و هنری تا توسعه هوش مصنوعی، همه و همه محصول توانایی شگفت‌انگیز این عضو اسرارآمیز است.

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر علوم اعصاب در دهه‌های اخیر، مغز همچنان یکی از ناشناخته‌ترین بخش‌های بدن انسان است. فناوری‌هایی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI)، ثبت فعالیت نورون‌ها، ژنتیک عصبی و هوش مصنوعی، پنجره‌های تازه‌ای به روی شناخت عملکرد مغز گشوده‌اند، اما پژوهشگران همچنان معتقدند بخش قابل توجهی از سازوکار‌های آن ناشناخته باقی مانده است. اینکه چگونه میلیارد‌ها سلول عصبی، پدیده‌هایی، چون آگاهی، احساسات، خلاقیت، حافظه و هویت انسان را شکل می‌دهند، هنوز از بزرگترین پرسش‌های علم به شمار می‌رود.

افزایش امید به زندگی و تغییر سبک زندگی موجب شده بیماری‌های مغز و اعصاب، از سکته مغزی و آلزایمر گرفته تا پارکینسون، صرع،‌ام‌اس، افسردگی و سایر اختلالات عصبی، به یکی از مهمترین چالش‌های نظام‌های سلامت جهان تبدیل شوند؛ چرا که این چالش‌ها نه‌تنها سلامت افراد، بلکه اقتصاد و کیفیت زندگی جوامع را نیز تحت تأثیر قرار داده‌اند.

به همین دلیل، ۲۲ ژوئیه برابر با ۳۱ تیرماه به عنوان «روز جهانی مغز» (World Brain Day) نامگذاری شده است؛ روزی که با ابتکار فدراسیون جهانی نورولوژی (World Federation of Neurology) برگزار می‌شود و هدف آن افزایش آگاهی عمومی درباره سلامت مغز، پیشگیری از بیماری‌های عصبی، تشخیص زودهنگام و دسترسی عادلانه به خدمات درمانی و توانبخشی است. هر سال نیز این مناسبت با شعاری مشخص برگزار می‌شود تا توجه افکار عمومی و سیاستگذاران به یکی از مهم‌ترین مسائل سلامت جهان جلب شود.

روز جهانی مغز یادآور این واقعیت است که آینده سلامت انسان، بیش از هر زمان دیگری به شناخت بهتر این اندام پیچیده وابسته است؛ اندامی که نه تنها مرکز فرماندهی بدن، بلکه سرچشمه اندیشه، احساس، خلاقیت و تمدن بشری است. شاید هنوز راز‌های بسیاری از مغز ناشناخته مانده باشد، اما آنچه مسلم است، این است که حفاظت از سلامت آن، سرمایه‌گذاری برای حفظ کیفیت زندگی انسان و آینده جوامع محسوب می‌شود.

مهمترین دستاورد‌ها و فناوری‌های ایران در حوزه مغز و علوم اعصاب

طی دو دهه گذشته، ایران سرمایه‌گذاری قابل توجهی در توسعه علوم اعصاب، فناوری‌های شناختی و مهندسی مغز انجام داده است؛ به گونه‌ای که امروز پژوهشگاه‌ها، دانشگاه‌ها، شرکت‌های دانش‌بنیان و آزمایشگاه‌های تخصصی متعددی در این حوزه فعال هستند.

برخی از مهمترین دستاورد‌های ایران در حوزه مغز به این شرح است:

«رایانا»؛ مغز مصنوعی ایرانی

فناوری «مغز مصنوعی» که با نام‌هایی مانند «رایانش عصبی زنده» نیز شناخته می‌شود، یکی از حوزه‌های نوظهور در مرز علوم اعصاب، زیست‌فناوری و مهندسی محاسبات است. در این رویکرد، به جای استفاده از تراشه‌های سیلیکونی متداول در رایانه‌ها، از سلول‌های عصبی واقعی برای انجام پردازش اطلاعات استفاده می‌شود.

در این فناوری، سلول‌های عصبی (نورون‌ها) در محیط آزمایشگاهی و خارج از بدن انسان کشت داده می‌شوند. این سلول‌ها در شرایط کنترل‌شده رشد می‌کنند و به تدریج با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و شبکه‌های عصبی مشابه آنچه در مغز انسان وجود دارد را شکل می‌دهند. این شبکه‌ها توانایی برقراری ارتباط الکتروشیمیایی دارند و می‌توانند در واکنش به محرک‌های بیرونی، الگو‌هایی را یاد بگیرند یا رفتار‌های ساده‌ای از خود نشان دهند.

پس از شکل‌گیری این شبکه‌های سلولی، امکان اتصال آنها به سیستم‌های دیجیتال فراهم می‌شود. در این مرحله، ورودی‌هایی از یک رایانه یا محیط کنترل شده به شبکه عصبی زنده داده می‌شود و پاسخ‌های آن ثبت و تحلیل می‌شود. به مرور زمان، این شبکه می‌تواند نسبت به محرک‌ها واکنش‌های پایدارتر و هدفمندتری نشان دهد؛ ویژگی‌ای که به آن قابلیت «یادگیری» اطلاق می‌شود.

اهمیت این فناوری در تفاوت بنیادی آن با رایانه‌های سنتی است. در پردازنده‌های معمولی، اطلاعات به صورت صفر و یک و بر اساس منطق دیجیتال پردازش می‌شود، اما در شبکه‌های عصبی زنده، پردازش اطلاعات به شکل زیستی و مشابه عملکرد مغز انجام می‌گیرد. این موضوع می‌تواند در آینده منجر به ساخت سامانه‌هایی شود که در برخی وظایف خاص، توانایی یادگیری و سازگاری بیشتری نسبت به رایانه‌های فعلی دارند.

یکی از مزیت‌های بالقوه این فناوری، بهره‌وری انرژی است. مغز انسان با وجود پیچیدگی بسیار بالا، مصرف انرژی بسیار کمی دارد. به همین دلیل، اگر بتوان از شبکه‌های عصبی زنده به عنوان واحد پردازش استفاده کرد، در تئوری امکان کاهش چشمگیر مصرف انرژی در سامانه‌های محاسباتی وجود دارد. البته این موضوع هنوز در حد فرضیه و نتایج آزمایشگاهی اولیه است و به مرحله کاربرد صنعتی گسترده نرسیده است.

در کنار این مزایا، این فناوری با چالش‌های جدی نیز روبه‌رو است. پایداری سلول‌ها خارج از بدن، کنترل‌پذیری دقیق شبکه‌های عصبی، مقیاس‌پذیری برای کاربرد‌های بزرگ و همچنین مسائل اخلاقی مرتبط با استفاده از بافت‌های عصبی، از جمله موضوعاتی هستند که همچنان در حال بررسی و توسعه‌اند.

در مجموع، مغز مصنوعی را می‌توان تلاشی برای نزدیک شدن به شیوه پردازش اطلاعات در طبیعت دانست؛ تلاشی که هدف آن جایگزینی کامل رایانه‌های موجود نیست، بلکه ایجاد نوعی سامانه محاسباتی جدید است که از اصول زیستی برای پردازش و یادگیری الهام می‌گیرد.

حالا این فناوری در ایران و با حمایت معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست جمهوری در دستور کار فناوران و پژوهشگران قرار گرفته است؛ پروژه‌ای که بنا به گفته دبیر ستاد توسعه علوم شناختی با اعتبار ۳۰ میلیارد تومانی در مرحله تحقیقاتی قرار دارد.

به گفته پژوهشگران، استفاده از شبکه‌های عصبی زنده می‌تواند به دلیل شباهت به سازوکار پردازش اطلاعات در مغز انسان، مصرف انرژی سامانه‌های محاسباتی را به شکل چشمگیری کاهش دهد. با این حال، میزان دقیق این صرفه‌جویی در مقیاس صنعتی هنوز نیازمند توسعه فناوری و ارزیابی‌های بیشتر است.

توسعه رابط مغز و رایانه

پژوهشگران ایرانی موفق به طراحی سامانه‌های رابط مغز و رایانه شده‌اند که با تحلیل امواج مغزی (EEG)، امکان کنترل رایانه، ویلچر، بازوی رباتیک و تجهیزات هوشمند را برای افراد دارای ناتوانی‌های حرکتی فراهم می‌کنند. بخشی از این فناوری‌ها در مراکز تحقیقاتی و شرکت‌های دانش‌بنیان به مرحله نمونه اولیه و تجاری‌سازی رسیده‌اند.

طراحی سامانه‌های ثبت و تحلیل سیگنال‌های مغزی

ایران در تولید تجهیزات ثبت نوار مغزی (EEG)، نرم‌افزار‌های پردازش سیگنال‌های مغزی و سامانه‌های تحلیل داده‌های عصبی به خودکفایی نسبی رسیده است. این تجهیزات در مراکز درمانی، آزمایشگاه‌های علوم اعصاب و پژوهش‌های شناختی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پیشرفت در حوزه تحریک مغز

چندین شرکت دانش‌بنیان ایرانی دستگاه‌های تحریک مغناطیسی مغز (TMS) و تحریک الکتریکی مغز (tDCS) را برای درمان افسردگی، سکته مغزی، پارکینسون، درد‌های مزمن و توانبخشی شناختی تولید کرده‌اند. این تجهیزات علاوه بر مراکز درمانی، در پژوهش‌های علوم اعصاب نیز کاربرد دارند.

فناوری‌های توانبخشی شناختی

ایران از کشور‌های فعال منطقه در توسعه نرم‌افزار‌ها و بازی‌های رایانه‌ای توانبخشی شناختی است. این سامانه‌ها برای بهبود حافظه، توجه، عملکرد‌های اجرایی و درمان اختلالاتی مانند بیش‌فعالی، آسیب‌های مغزی، سکته مغزی و زوال شناختی طراحی شده‌اند.

هوش مصنوعی در تشخیص بیماری‌های مغز

گروه‌های تحقیقاتی ایرانی الگوریتم‌هایی مبتنی بر هوش مصنوعی را برای تشخیص بیماری‌هایی مانند آلزایمر، پارکینسون، صرع، تومور‌های مغزی و سکته مغزی از روی تصاویر MRI، CT و سیگنال‌های EEG توسعه داده‌اند که برخی از آنها وارد مرحله استفاده آزمایشی در مراکز درمانی شده‌اند.

نورورباتیک و اسکلت‌های بیرونی

پژوهشگران کشور در زمینه طراحی اسکلت‌های بیرونی (Exoskeleton)، ربات‌های توانبخشی و سامانه‌های کمکی برای بیماران دچار آسیب نخاعی و سکته مغزی نیز دستاورد‌های قابل توجهی داشته‌اند.

توسعه آزمایشگاه‌های علوم اعصاب

راه‌اندازی آزمایشگاه‌های پیشرفته تصویربرداری مغزی، ثبت فعالیت نورون‌ها، نقشه‌برداری مغزی و پژوهش‌های شناختی در دانشگاه‌هایی مانند دانشگاه تهران، دانشگاه علوم پزشکی تهران، دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشگاه شهید بهشتی و پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، ظرفیت علمی کشور را در این حوزه افزایش داده است.

گسترش شرکت‌های دانش‌بنیان شناختی

با حمایت ستاد توسعه علوم و فناوری‌های شناختی معاونت علمی ریاست جمهوری، ده‌ها شرکت دانش‌بنیان در زمینه تولید تجهیزات پزشکی، نرم‌افزار‌های شناختی، سامانه‌های تحلیل مغز، ابزار‌های توانبخشی و آموزش شناختی شکل گرفته‌اند و بخشی از محصولات آنها به بازار داخلی و برخی نیز به بازار‌های خارجی راه یافته‌اند.

توسعه پژوهش‌های نوروساینس

ایران از نظر تعداد مقالات علمی در حوزه علوم اعصاب در میان کشور‌های پیشرو منطقه قرار دارد و پژوهشگران ایرانی در زمینه‌هایی مانند حافظه، یادگیری، خواب، بیماری‌های نورودژنراتیو، نوروفارماکولوژی و علوم شناختی تحقیقات گسترده‌ای انجام داده‌اند.

بازار ۷۲ میلیارد دلاری فناوری‌های عصبی تا ۲۰۳۰

اگرچه ایران در تولید تجهیزات تشخیصی، فناوری‌های شناختی و پژوهش‌های علوم اعصاب پیشرفت قابل توجهی داشته است، اما در حوزه‌های پیشرفته‌ای مانند ایمپلنت‌های مغزی تهاجمی، تراشه‌های عصبی و رابط‌های مغز و رایانه کاشتنی که توسط شرکت‌هایی مانند Neuralink توسعه یافته‌اند، هنوز در مرحله تحقیقات پایه یا نمونه‌های اولیه قرار دارد و فاصله فناوری با کشور‌های پیشرو همچنان قابل توجه است.

عطاءاله پورعباسی، دبیر ستاد توسعه علوم و فناوری‌های شناختی در گفت‌و‌گو با ایسنا اظهار کرد: همگرایی بی‌سابقه علوم اعصاب، هوش مصنوعی، مهندسی و نانوفناوری درحال شکل‌دهی به حوزه‌ای راهبردی به نام «فناوری‌های عصبی» است و در این میان، ایمپلنت‌های مغزی و نوروپروتز‌ها به عنوان پیشرفته‌ترین تجلیات این همگرایی، نقش کلیدی در تعیین مرز‌های توانایی‌های بشر در قرن بیست و یکم ایفا می‌کنند.

پورعباسی افزود: ایمپلنت‌های مغزی دستگاه‌ها یا آرایه‌های الکترونی هستند که به صورت تهاجمی در داخل یا روی سطح قشر مغز کاشته می‌شوند و نقش اصلی آنها ثبت سیگنال‌های عصبی و یا تحریک الکتریکی بافت عصبی است و این فناوری هسته مرکزی سیستم‌هایی مانند تحریک عمقی مغز و واسط‌های مغز-رایانه پیشرفته را تشکیل می‌دهد.

دبیر ستاد توسعه علوم و فناوری‌های شناختی اضافه کرد: نوروپروتزها، دستگاه‌هایی هستند که مسیر‌های عصبی آسیب‌دیده را دور می‌زنند تا عملکرد‌های حسی، حرکتی یا شناختی از دست رفته را بازیابی کنند و نمونه‌های بارز شامل دست‌های مصنوعی کنترل شونده با فکر، کاشت حلزون شنوایی و ایمپلنت‌های شبکیه برای بازگرداندن بینایی هستند و این فناوری‌ها تبلور همگرایی بین علوم اعصاب، مهندسی و هوش مصنوعی است.

وی با بیان اینکه توسعه این فناوری‌ها ناظر بر نیاز‌های حیاتی و فرصت‌های استراتژیک متعددی برای کشور است و ایمپلنت‌های مغزی و نوروپروتز‌ها سهم عمده‌ای در این بازار دارند، افزود: تحول در اقتصاد ملی و خلق ثروت و حرکت به سمت اقتصاد دانش‌بنیان یک ضرورت غیرقابل انکار است.

به گفته وی، حجم بازار جهانی فناوری‌های عصبی در سال ۲۰۲۳ بالغ بر ۲۱.۲ میلیارد دلار برآورد شده و پیش‌بینی می‌شود با نرخ رشد ترکیبی سالانه به حدود ۵۰ تا ۷۲ میلیارد دلار تا سال ۲۰۳۰ برسد.

دبیر ستاد توسعه علوم و فناوری‌های شناختی با اشاره به اینکه سرمایه‌گذاری در این حوزه، ارزش اقتصادی کلانی از طریق خلق بازار‌های جدید با ارزش افزوده فوق‌العاده، اشتغال‌زایی برای نیروی کار بسیار متخصص و کاهش وابستگی به واردات ایجاد می‌کند، یادآور شد: تأمین امنیت ملی و کسب برتری استراتژیک: آینده صنایع دفاعی، امنیت سایبری و برتری شناختی به شدت به فناوری‌های عصبی وابسته است و واسط‌های مغز-رایانه مبتنی بر ایمپلنت‌های مغزی برای کنترل سامانه‌های پیچیده، تقویت شناختی پرسنل و کاربرد‌های امنیتی، از جمله حوزه‌های راهبردی هستند.

پورعباسی با بیان اینکه خوشبختانه جمهوری اسلامی ایران از پتانسیل و مزایای نسبی قابل توجهی در این حوزه برخوردار است، تصریح کرد: وجود نیروی انسانی جوان، مستعد و متخصص در حوزه‌های مهندسی، پزشکی و علوم اعصاب، حضور پژوهشگران شناخته شده بین‌المللی و دستاورد‌های خوب در حوزه‌هایی مانند روش‌های جراحی نوروپروتز، تجارب ارزشمند پژوهشی در حوزه‌های مرتبط مانند سلول‌های بنیادی، داروسانی هوشمند و نوروانفورماتیک بر شمرده می‌شوند.

وی خاطرنشان کرد: ستاد توسعه علوم و فناوری‌های شناختی به واسطه اقدامات و برنامه‌ریزی‌های خود با تشکیل کارگروه تخصصی و انتشار ۱۰ درخواست پروپوزال برای تکمیل زنجیره طراحی یک ایمپلنت مغزی، بسترسازی اولیه را انجام داده است و این اقدام منجر به تصویب ۱۸ عنوان طرح با مشارکت حدود ۱۵۶ محقق در ۱۳ دانشگاه برتر کشور شده و نشان از وجود ظرفیت و عزم علمی دارد.

امروز مغز دیگر تنها موضوع پژوهش پزشکان و عصب‌شناسان نیست؛ بلکه به یکی از مهمترین عرصه‌های رقابت علمی، فناوری و اقتصادی جهان تبدیل شده است. از هوش مصنوعی و رابط‌های مغز و رایانه گرفته تا ایمپلنت‌های عصبی و رایانش مبتنی بر سلول‌های زنده، فناوری‌های عصبی در حال ترسیم آینده‌ای هستند که می‌تواند شیوه درمان بیماری‌ها، توانبخشی بیماران و حتی نحوه تعامل انسان با فناوری را دگرگون کند.

ایران نیز اگرچه در برخی حوزه‌های پیشرفته مانند ایمپلنت‌های مغزی کاشتنی هنوز با کشور‌های پیشرو فاصله دارد، اما توسعه زیرساخت‌های علوم اعصاب، شکل‌گیری شرکت‌های دانش‌بنیان، اجرای پروژه‌هایی همچون «رایانا» و آغاز پژوهش در زمینه ایمپلنت‌های مغزی نشان می‌دهد که مسیر ورود به این رقابت جهانی آغاز شده است. تداوم سرمایه‌گذاری در پژوهش‌های بنیادی، تقویت همکاری دانشگاه و صنعت و حمایت از فناوری‌های نوظهور می‌تواند جایگاه کشور را در یکی از راهبردی‌ترین حوزه‌های علمی و اقتصادی قرن بیست‌ویکم ارتقاء دهد.