دماغ ذبابة الفاكهة يلهم خوارزمية تتذكر الأشياء فعلاً، على عكس أدواتك التقنية العادية

لا تشتهر ذبابة الفاكهة بذكائها - فربما أغرقتم أكثر من واحدة في كأس نبيذ تُرك طويلاً على طاولة الشرفة. ومع ذلك، بفضل ما يقارب 140,000 خلية عصبية - دماغ أصغر من بذرة الخشخاش - تستطيع ذبابة الفاكهة فرز مجموعة واسعة من الروائح في جزء من الثانية، ثم الاحتفاظ بذاكرة تلك الرائحة لفترة طويلة. وفي هذا، تتفوق كثيراً على "الأنوف الإلكترونية" الحالية، التي تميل إلى أن تكون باهظة الثمن، ومحدودة بشكل مؤلم فيما يمكنها اكتشافه، وسريعة النسيان للرائحة بمجرد تعلم رائحة جديدة.

فلماذا لا نقلد الذبابة فقط؟ هذا هو السؤال الذي يطرحه عدد متزايد من الباحثين - بما في ذلك كيفن ماكس ويانغ شين في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا، الذين وصفت خوارزميتهم الجديدة، Spi-Fly، في ورقة بحثية نشرت مؤخراً في مجلة Neuromorphic Computing and Engineering.

الرائحة حاسة غريبة، من الناحية الميكانيكية. الرؤية والسمع كلاهما يختزل إلى بُعد فيزيائي واحد يمكنك رسمه على رسم بياني - الطول الموجي - مما يجعلهما سهلين الدراسة نسبياً. جزيئات الرائحة، على النقيض من ذلك، لا يمكن اختزالها إلى أي بُعد فيزيائي واحد. كان على علم الأحياء أن يجد حلاً أكثر فوضوية بدلاً من ذلك: مئات من البروتينات المستقبلة المختلفة، كل منها مُشكل ليلتقط ميزات جزيئية محددة، وتطلق إشارات في توليفات يتعين على الدماغ فك شفرتها. إنه نظام معقد توافقياً لدرجة أنه استغرق حتى عام 1991 حتى تمكنت ليندا باك وريتشارد أكسل من تحديد عائلة الجينات المستقبلة وراءه - العمل الذي منحهما جائزة نوبل في عام 2004.

على الرغم من الصعوبات في فهمنا للرائحة، توجد "أنوف إلكترونية" في السوق. تبيع شركات مثل Alpha MOS وAryballe وOdotech هذه الأجهزة لمراقبة جودة الأغذية، والمراقبة البيئية، والفحص الأمني. ما تجيده هذه الأنوف هو التعميم. الجهاز المضبوط لشم زيت الزيتون الفاسد ليس هو نفسه الجهاز الذي يكشف عن مادة متفجرة معينة في نقطة تفتيش المطار. إعادة تجهيز واحد لمهمة جديدة عادة ما يعني إعادة تدريب برامجه من الصفر تقريباً.

يقف خلف هذا القيد عنق زجاجة تقنيان. أولاً، تحتاج هذه الأنظمة عادةً إلى جبل من الأمثلة المصنفة يدوياً قبل أن تتمكن من التمييز بشكل موثوق بين رائحة وأخرى. ثانياً، تعليمها رائحة جديدة يميل إلى تشويش ما كانت تعرفه بالفعل - وهي مشكلة يسميها الباحثون "النسيان الكارثي"، وهو المعادل الإلكتروني لنسيان ركوب الدراجة بعد تعلم السباحة مباشرة.

ذبابة الفاكهة - والكثير من الحشرات الأخرى - لا تواجه هذه المشكلة، على الرغم من أدمغتها المتناهية الصغر. كيف تميز الروائح وتتذكرها بهذا القدر القليل من القدرة الدماغية؟ السر، وفقاً لمؤلفي الورقة، هو شيء يسمى الترميز المتناثر. تخيلوا أن دماغ الذبابة يعين رمزاً شريطياً لكل رائحة. يعتمد نظامها الشمي على حوالي 2000 خلية متخصصة، تسمى خلايا كينيون، تستقبل إشارات متناثرة وموصلة بشكل عشوائي تمر من مستقبلات الرائحة في الذبابة. تلك الخلايا كينيون تبلغ جميعها إلى نقطة ترحيل واحدة: العصبون الجانبي الأمامي المقترن، أو APL (في الواقع زوج متماثل منهما، واحد لكل نصف كرة دماغية). تستجيب خلايا APL بإطلاق تثبيط قوي وشامل إلى كل خلية كينيون في وقت واحد، مما يكتم تقريباً جميعها. الخلايا التي تبقى نشطة بعد هذا الإجراء الصارم هي ما يسميه ماكس وشين الرمز الشريطي لتلك الرائحة المعينة.

تبدأ Spi-Fly القصة فقط بعد أن يؤدي المستشعر وظيفته - كل شيء هنا يحدث في المحاكاة، باستخدام بيانات مستشعر مسجلة مسبقاً، والخوارزمية نفسها لا علاقة لها بالتقاط الرائحة في المقام الأول. في عمل ماكس وشين، تصبح قراءات المستشعر تياراً من النبضات، تُسقط بشكل متناثر وعشوائي على طبقة مخفية تمثل خلايا كينيون، مع تثبيط الخلايا العصبية لبعضها البعض بدلاً من الاعتماد على حكم واحد يشبه APL. من هناك، تتصل الطبقة المخفية بطبقة إخراج، خلية عصبية واحدة لكل رائحة مصنفة، في انتظار تعلم الرمز الشريطي الذي ينتمي إلى أي رائحة.

ما يتم تعلمه فعلياً هو الاتصال بين رمز شريطي و