پژوهشگران موفق به ساخت لیزری شده‌اند که می‌تواند بسیار شبیه به سلول‌های عصبی بیولوژیکی رفتار کند با این تفاوت که این بار در ساخت به جای الکترونیک، اپتیک بکار گرفته شده است.

لیزرهایی که بسیار شبیه به نورون‌ها جرقه می‌زنند.

پژوهشگران فرانسوی موفق به ساخت لیزر کوچکی متشکل از لایه‌های نازکی از نیمه‌رسانا شده‌اند که می‌تواند دقیقاً مانند یک سلول عصبی بیولوژیکی رفتار کند. این گروه نشان داده است که این لیزر تنها هنگامی جرقه می‌زند که ورودی آن درست مانند سلول‌های عصبی مقدار کمی جابجا شود و شلیک‌های پیاپی دستگاه به خوبی در یک زمان از هم تفکیک می‌شوند که این نیز یکی از ویژگی‌های بسیار مهم این نوع سلول‌هاست.

مغز انسان از صد میلیارد نورون تشکیل شده است که هرکدام سیگنال‌های الکتریکی سایر نورون ها را از طریق هزاران پیوند کوچک موسوم به «سیناپس» (synapses) دریافت می‌کنند. زمانی که مجموع سیگنال‌هایی که از سیناپس عبور می‌کند، از مقدار آستانه‌ای تجاوز کند، نورون با فرستادن یک سری ولتاژ آنی به سمت گروهی دیگر از نورون‌ها شلیک می‌کند. بنابراین سلول‌های عصبی می‌توانند برانگیخته شوند: کمتر از یک آستانه‌ی ورودی خاص، خروجی سیستم بسیار ناچیز و خطی است؛ اما در بالای این آستانه، غیرخطی و بزرگ خواهد شد.

بازآفرینی مغز

پژوهشگران مدت‌ها در تلاش بوده‌اند تا سلول‌های عصبی مصنوعی‌ای را بسازند که قادر باشد قدرت پردازش مغز انسان را بازآفرینی کند؛ قسمتی که مربوط به ادراک است و هیچ نظیری برای آن در رایانه‌های دیجیتالی کنونی نیست. اکثر این تلاش‌ها بر روی مدارهای سیلیکونی متمرکز بوده است درحالی که رویکردهای بدیع‌تر نظیر پیوندهای جوزفن (Josephson junctions) کمتر مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

در تازه‌ترین کار به جای الکترونیک بر اپتیک تکیه زده شده است. سیلوین باربی (Sylvain Barbay) و همکارانش از مرکز CNRS در پاریس از یک لیزر میکروپیلار (micropillar laser) برای این منظور استفاده کرده‌اند. این دستگاه استوانه‌ای شکل با ابعادی ناچیز از چندین لایه نیمه رسانا و دو آینه‌ی موازی تشکیل شده و محیطی را پدید می‌آورد که نور با شدت پایین را جذب و نور با شدت بالا را انتقال می‌دهد.

شلیک سریع

پژوهشگران برای نشان دادن ویژگی‌های شبه‌عصبی آن، توانستند با استفاده از یک لیزر دیودی و یک لیزر تیتانیوم-یاقوت سلول‌های عصبی مصنوعی را وادارکنند تا بسیار سریعتر از همتایان الکترونیکی و بیولوژیکی خود عمل کنند به گونه‌ای که بازه‌ی زمانی پاسخ آن‌ها از مرتبه‌ی میلی‌ثانیه باشد.

آن‌ها همچنین توانستند ویژگی اساسی دیگر این سلول‌های مصنوعی، حداقل فاصله‌ی زمانی بین شلیک‌ها ، را شرح دهند. باربی توضیح می‌دهد که بدون این فاصله فعالیت یک نورون با نویز ناشی از سایر پالس‌ها مختل می‌شود. این دستگاه تنها هنگامی شلیک می‌کند که دو پالس ورودی به فاصله‌ی کمتر از 150 پیکوثانیه از یکدیگر قرار داشته باشند. آن‌ها دریافتند که این بازه‌ی زمانی نسبی است و این نشان دهنده‌ی آن است که این سیستم در مورد حالت قبلی خود حافظه دارد. باربی معتقد است که هنوز راه بسیار زیادی تا ساخت رایانه‌ای که بتواند مانند مغز انسان عمل کند، وجود دارد؛ اما مزیت عمده‌ی سیستم آن‌ها ابعاد کوچک و قابلیت ترکیب آن است که ساخت شبکه‌های عصبی کوچک را میسر می‌کند.

این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.

منبع: Laser mimics biological neurons using light