الحوسبة العصبية الشكلية

الحوسبة العصبية الشكلية هي نهج حاسوبي مستوحى من بنية الدماغ البشري ووظيفته. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تستخدم هذه الحوسبة خلايا عصبية اصطناعية لإجراء العمليات الحسابية، محاكيةً بذلك الأنظمة العصبية في مهام مثل الإدراك، والتحكم الحركي، والتكامل الحسي المتعدد. ^{[ 3 ]} تُنفذ هذه الأنظمة باستخدام الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) التناظرية أو الرقمية أو المختلطة ، وتُعطي الأولوية للمتانة، والقدرة على التكيف، والتعلم من خلال محاكاة المعالجة الموزعة للدماغ عبر عناصر حاسوبية صغيرة. ^{[ 4 ]} يدمج هذا المجال متعدد التخصصات علم الأحياء ، والفيزياء ، والرياضيات ، وعلوم الحاسوب ، والهندسة الإلكترونية لتطوير أنظمة تحاكي مورفولوجيا الدماغ واستراتيجياته الحسابية. ^{[ 5 ]} تهدف الأنظمة العصبية الشكلية إلى تعزيز كفاءة الطاقة وقوة الحوسبة لتطبيقات تشمل الذكاء الاصطناعي، والتعرف على الأنماط، والمعالجة الحسية.

اقترح كارفر ميد أحد التطبيقات الأولى للهندسة العصبية الشكلية في أواخر ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 6 ]} وفي عام 2006، طوّر باحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا مصفوفة عصبية قابلة للبرمجة ميدانيًا، وهي عبارة عن شريحة سيليكونية تحاكي خصائص قنوات الأيونات في الخلايا العصبية. ^{[ 7 ]} وفي عام 2011، ابتكر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شريحة تحاكي التواصل المشبكي باستخدام 400 ترانزستور وتقنيات CMOS القياسية . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

في عام 2012، أفاد باحثون من مختبرات إتش بي أن مقاومات موت المتغيرة تُظهر سلوكًا متقلبًا عند درجات الحرارة المنخفضة، مما يُتيح ابتكار مقاومات عصبية تُحاكي سلوك الخلايا العصبية وتدعم مكونات آلة تورينج . ^{[ 10 ]} وفي العام نفسه، قدّم باحثون من جامعة بيردو تصميمًا لشريحة عصبية الشكل باستخدام صمامات الدوران الجانبية والمقاومات المتغيرة ، والتي تميزت بكفاءتها في استهلاك الطاقة. ^{[ 11 ]}

يقوم مشروع الدماغ الأزرق لعام 2013 بإنشاء نماذج رقمية مفصلة لأدمغة القوارض. ^{[ 12 ]}

استخدمت شبكة Neurogrid ، التي طورتها شركة Brains in Silicon في جامعة ستانفورد ، 16 شريحة NeuroCore لمحاكاة 65,536 عصبونًا بكفاءة طاقة عالية في عام 2014. ^{[ 13 ]} وقد ساهمت مبادرة BRAIN لعام 2014 وشريحة TrueNorth من IBM في التطورات العصبية الشكلية. ^{[ 14 ]}

مشروع BrainScaleS لعام 2016، وهو حاسوب فائق عصبي الشكل هجين في جامعة هايدلبرغ ، كان يعمل بسرعة 864 مرة أسرع من الخلايا العصبية البيولوجية. ^{[ 15 ]}

في عام 2017، كشفت شركة إنتل عن شريحة لويحي ، التي تستخدم شبكة عصبية اصطناعية غير متزامنة للتعلم والاستدلال بكفاءة. ^{[ 16 ]} وفي العام نفسه، عرضت شركة IMEC شريحة التعلم الذاتي، القائمة على تقنية OxRAM، والتي أظهرت قدرتها على تأليف الموسيقى من خلال التعلم من مقطوعات المينويت. ^{[ 17 ]}

في عام 2022، طوّر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مشابك عصبية اصطناعية باستخدام البروتونات للتعلم العميق التناظري. ^{[ 18 ]} وفي عام 2019، موّل الاتحاد الأوروبي الحوسبة الكمومية العصبية لاستكشاف العمليات الكمومية باستخدام الأنظمة العصبية. ^{[ 19 ]} وفي عام 2022 أيضًا، طوّر باحثون في معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات عصبونًا عضويًا اصطناعيًا نابضًا للاستشعار العصبي الموضعي والتفاعل الحيوي. ^{[ 20 ]}

أفاد باحثون في عام 2024 أن الأنظمة الكيميائية في المحاليل السائلة يمكنها الكشف عن الصوت بأطوال موجية مختلفة، مما يوفر إمكانات للتطبيقات العصبية الشكلية. ^{[ 21 ]}

تحاكي الهندسة العصبية الشكلية بنية الدماغ ووظائفه، مع التركيز على الطبيعة التناظرية للحوسبة البيولوجية ودور الخلايا العصبية في الإدراك. يعالج الدماغ المعلومات عبر الخلايا العصبية باستخدام إشارات كيميائية، تُختزل إلى دوال رياضية. توزع الأنظمة العصبية الشكلية الحوسبة على عناصر صغيرة، على غرار الخلايا العصبية، باستخدام أساليب مستمدة من الخرائط العصبية التشريحية والوظيفية المستقاة من المجهر الإلكتروني ودراسات الاتصال العصبي. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

تستخدم الأنظمة العصبية الشكلية مكونات مادية مثل المقاومات الذاكرية القائمة على الأكاسيد، وذاكرات الإلكترونيات الدورانية ، ومفاتيح العتبة، والترانزستورات. ^{[ 24 ] [ 25 ]} أما تطبيقات البرمجيات فتُدرّب الشبكات العصبية النبضية باستخدام خوارزمية الانتشار العكسي للخطأ . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

تثير الأنظمة العصبية الشكلية نفس التساؤلات الأخلاقية التي تُثار حول مناهج الذكاء الاصطناعي الأخرى . فقد جادل دانيال ليم بأن الأنظمة العصبية الشكلية المتقدمة قد تؤدي إلى وعي آلي، مما يثير مخاوف بشأن ما إذا كان ينبغي توسيع نطاق الحقوق المدنية وغيرها من البروتوكولات لتشملها. ^{[ 32 ]} وتُثير المناقشات القانونية، كما في قضية Acohs Pty Ltd ضد Ucorp Pty Ltd ، تساؤلات حول ملكية الأعمال التي تُنتجها الأنظمة العصبية الشكلية، حيث قد لا تكون المخرجات غير البشرية قابلة لحقوق التأليف والنشر. ^{[ 33 ]}

• ورشة تيلورايد للهندسة العصبية الشكلية
• ورشة عمل كابوكاشيا للهندسة العصبية الإدراكية
• معهد الهندسة العصبية الشكلية
• موقع أخبار INE .
• مجلة فرونتيرز في الهندسة العصبية الشكلية
• قسم الحوسبة والأنظمة العصبية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا .
• بناء دماغ سيليكوني: قد تساعد رقائق الكمبيوتر القائمة على الخلايا العصبية البيولوجية في محاكاة نماذج دماغية أكبر وأكثر تعقيدًا