Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 21 בדצמבר, 2018

מחקר המוח חושב בגדול

תַקצִיר

כשאתם קוראים את המילים האלה, מאות מיליונים של תאי עצב פועלים חשמלית וכימית במוח שלכם. פעילוּת זו מאפשרת לכם לזהוֹת מילים, לחוות את העולם, ללמוד, ליהנות, ליצור דברים חדשים ולהיות סקרניים לגבי העולם שסביבכם. המוח שלנו, זה של ההומו ספיינס, הוא ללא ספק הרקמה הביולוגית המרתקת ביותר שהופיעה על פני כדור הארץ לפני כ-200,000 שנה. המוח כל כך סקרן ושאפתן עד שהוא חותר להבין את עצמו ולרפא את רכיביו העדינים כשהוא נעשה חולה. אולם למרות התפתחויות חשובות בחֵקֶר המוח בתקופה האחרונה, איננו יודעים עדיין איך לחבֵּר יחד את החלקים השונים של הפאזל כדי לפתור את חידת המוח. זו הסיבה שבגללה החלו לאחרונה ברחבי העולם כמה מחקרים שאפתניים במיוחד המציעים גישה חדשה להבנת המוח. אנו שותפים באחד הפרויקטים האלה – פרויקט המוח האנושי [1]. מטרתו הראשית היא לאסוף ולארגן באופן מסודר את כל מה שאנו יודעים על המוח, לפתֵּח שיטות ניסיוֹניוֹת ותיאוֹרטיוֹת משוכללות כדי לבחון את המוח ולהכניס את כל מה שלמדנו לתוך מודל ממוחשב של המוח. כל זה אפשרי מפני שהמוח שלנו הוא זה שתכנן בעצמו מַחְשְׁבִים חזקים, את האינטרנט וכלים מתמטיים וחישוביים מתוחכמים שבקרוב יאפשרו ליצור בתוך המחשב מודל של תופעה כל כך מורכבת כמו המוח האנושי. הפרויקט הזה יספֵּק הבנה חדשה ועמוקה יותר של המוח שלנו, יעזור לנו לפתֵּח תרופות טובות יותר למחלות מוחיות וגם, בסופו של דבר, יְלַמֵּד אותנו איך לִבְנוֹת מחשבים שלומדים בצורה חכמה יותר (איור 1). ראוי לציין שהמוח שלנו הוא יעיל להפליא מבחינה אנרגטית, ומספיקות לו רק כמה ארוחות כל יום (ולפעמים אולי גם כמה ממתקים) כדי לתפקד – הרבה פחות אנרגיה אפילו ממה שצורֵך מחשב ביתי פשוט. נספר לכם כעת את סיפורו של פרויקט המוח האנושי.

המפָּץ הגדול של מוח האדם

היקום התחיל עם המפץ הגדול, לפני כ-13,700 מיליון (כ-3.7 מיליארד) שנה. רק לאחרונה, לפני בערך 200,000 שנה, התרחש “מפץ גדול” נוסף – ההומו ספיינס הופיע על פני כדור הארץ. יש לו דמיון רב לזנים אחרים כמו למשל קוף השימפנזה, ודמיון גדול עוד יותר למינים הומונוידיים (חברי משפחת האדם המודרני) אחרים כמו למשל הניאנדרתלים שחיו עמנו עד לפני כ-30,000 שנה. אבל, אנו ייחוּדים מאוד במובן אחד מסוים, והוא שהמוח שלנו התפתח להיות יצירתי בצורה יוצאת דופן. אנו מעבירים בינינו מידע בעזרת שָׂפָה מתוחכמת מילולית וכתובה, אנו מייצרים מדע ואומנות, אנו הוגים רעיונות חדשים ובסופו של דבר בונים תוצרים חדשים (צעצועים, מטוסים, טלפונים ניידים, מחשבים) כמו שאף יצור אחר לא עשה מעולם. מה שהופך את מוח האדם להיות כל כך יצירתי, עם המרכיבים הבסיסיים שלו – תאי עצב והקשרים ביניהם (“סִינַפְּסוֹת”), והרשת העצבית שהם יוצרים באזורים שונים במוח (ראו איור 2), נותר עדיין בגדר תעלומה.

איור 1 - שלוש המטרות העיקריות של פרויקט המוח האנושי.
  • איור 1 - שלוש המטרות העיקריות של פרויקט המוח האנושי.
  • (משמאל) איסוף כל המידע שיש על המוח לתוך מחשב. (באמצע) פיתוח תרופות חדשות למחלות מוחיות שמבוססות על העתקים והדמיוֹת ממוחשבים של תהליכים מוחיים. (מימין) למידה מהמוח איך לפתֵּח דור חדש של מחשבים שיהיו יעילים אנרגטית, לומדים וחזקים.

פרויקט המוח האנושי

ב-28 בינואר 2013, אלפי מדענים מכל קצוות העולם עצרו את נשימתם. הוועידה האירופאית עמדה להכריז על הזוכה מִבֵּין 26 הצעות מחקר מִתְחָרוֹת, במענק של מיליארד יורו לתקופה של 10 שנים. באותו הערב הוכרזו שני זוכים – Graphene (שמוּבל על-ידי אוניברסיטאות בשוודיה) ופרויקט המוח האנושי (HBP) הממוקם בשוויץ. שני ”פרויקטי הדגל“ האירופאיים האלה כוללים מאות מעבדות ואלפי חוקרים, סטודנטים וטכנאים. שני הפרויקטים הזוכים הבטיחו לחולל מהפכה בעולם הננוֹ-חומרים (Graphene) ובהבנת המוח (פרויקט המוח האנושי).

איור 2 - מרכיבי המוח.
  • איור 2 - מרכיבי המוח.
  • A. המוח עם אזוריו השונים וקליפת המוח שמתחת לגולגולת. B. מעגל טיפוסי בצורת עמודה בקליפת המוח של יונק (עומק של 2 מ“מ מתחת לגולגולת, עם כמאה אלף תאי עצב וכ-4 ק”מ חוטים למ“מ מעוקב. C. ה“spike”, יחידת מידע (“bit”) חשמלית טיפוסית שכֹּל תא מייצר. D. הסינַפּסה, מרכיב כימי שמחבֵּר תא עצב אחד לשני.

הרעיון היסודי שעליו מבוסס פרויקט המוח האנושי התגבש לפני כעשור במוחו של פרופ’ Henry Markram ועמיתיו, בפרויקט שנקרא ”פרויקט המוח הכחול“ .[2] (BBP) הרעיון היה כפול: (1) שהבנת המוח דורשת גישה מסודרת לאיסוף כל המידע הַזָּמִין על המוח ואיגודו לתוך מאגר מידע אחד שיכיל, למשל, את סוגי התאים השונים (כמו סוגים שונים של עצים ביער); התבניות השונות של פעילויות חשמליות שמורכבות מאותות בסיסיים, ה”ספייקים“, שתאי עצב מייצרים (איור 2) והקשרים שתאי העצב יוצרים במוח בינם לבין עצמם (סינפסות) כדי לייצר מעגלים תפקודיים. (2) שכֹּל המידע הַזָּמין על המוח חייב להיות מְקֻבָּץ לתוך מחשב ומיוצג בצורת הדמייה מתמטית. זאת כדי לוודא שכֹּל החתיכות אשר מרכיבות את רקמת המוח המשמשת מוֹדֶל יְתַקְשְׁרוּ בצורה הנכונה וייצרו פעילות קבוצתית דומה לזו שנצפית במוח האמיתי. ההעתק הדיגיטלי הממוחשב הזה של רקמת מוח אמיתית אמור לעזור לנו להבין איך פועלת הרקמה הביולוגית שמרכיבה את המוח. כבר יש בידינו דוגמאות רבות שבהן, בעזרת מודל מפורט וריאליסטי שנבנה במחשב, אפשר לערוך ניסויים ולהשלים מידע שנותר חסר מניסויים בשטח, למשל, בגלל סיבות מוּסריוֹת בניסויים בבעלי חיים. במילים אחרות, העותק הממוחשב של המוח יאפשר לנו לבצע ניסויים וירטואליים שהם לעיתים קשים או בלתי אפשריים לביצוע ברקמה הביולוגית האמיתית.

איור 3A מראֶה דוגמאות מהַצְלָחַת פרויקט המוח הכחול. הוא מציג חתיכה קטנה ממוחו של עכבר צעיר, שנקראת ”העמודה הקורטיקלית“, אשר ממוקמת בקליפת המוח ממש מתחת לגולגולת (איור 2). זוהי יחידה מִבְנית ייחודית שחוזרת על עצמה במוח של יונקים (עכבר, חולדה, חתול, קוף ואדם), המכילה בין 100,000-30,000 תאי עצב במ”מ מעוקב, כ-100 מיליון קשרים וכ-4 ק“מ של ”חוטים“. איור 3A מראֶה את המבנה האנטומי של העמודה הזו, ואילו איור 3B מראֶה את הפעילוּת החשמלית ה”ספייקית“ (שמקוּדדת בצבעים באיור 3A) של הרקמה הזו, אשר הדמייתהּ לקוּחה ממחשב העל ”Blue Gene“ של IBM אשר ממוקם בלוזן, שוויץ [3].

איור 3 - העמודה הקורטיקלית, היחידה המִּבְנית של קליפת המוח של יונקים והמוקד של פרויקט המוח הכחול.
  • איור 3 - העמודה הקורטיקלית, היחידה המִּבְנית של קליפת המוח של יונקים והמוקד של פרויקט המוח הכחול.
  • A. מודל ממוחשב של העמודה הקורטיקלית שנבנה כחלק מפרויקט המוח הכחול. כאשר הם מופעלים על-ידי גירוי חשמלי, תאי עצב ברשת מתחילים לירות ספייקים (מקוּדדים באדום). B. כל פעילות מובחנת של ספייקים ברשת מסוימת במוח מייצגת מצב מוחי נתון (“שינה”, “אהבה”, “זיהוי פנים”, “הזזת יד” ועוד). כאשר המוח חולה, פעילות הספייקים הַתְּקינה (הרשומה העליונה בפינה הימנית התחתונה) משתנָה לפעילות בלתי רגילה (הרשומה התחתונה מצד ימין בפינה הימנית התחתונה). המקרה שמוצג כאן הוא של מחלה מוחית הקרויה ”פרקינסון“.

מהצלחתו הראשונית של פרויקט המוח הכחול התפתח החזון הרחב בהרבה של פרויקט המוח האנושי. לפרויקט החדש יש שלושה דגשים מחקריים. ראשית, אנו רוצים להביא את הבנת המוח לרמה חדשה – קודם כל על מוח העכבר ואז על מוח האדם. לצורך כך, נפתֵּח שיטות חדשות למיזוג נתונים ממעבדות מחקר ומבתי חולים. אחר כך, נרחיב מודלים והדמיוֹת שכבר נעשו בפרויקט המוח הכחול עבור עמודה קורטיקלית אחת לאזורי מוח גדולים בהרבה, ולבסוף למוח כולו. למימוש מטרה זו נזדקק לדרך חדשה כדי ליצור שיתוף פעולה בין מאות מדענים. אנו נבנה פלטפורמה שתהיה נגישה עבור מדענים דרך האינטרנט – משהו כמו הכלאה בין גוגל ארץ, פייסבוק וחיזוי מזג אוויר – שבּה הם יכולים לקרוא את החדשות והנתונים האחרונים ולפרסם אותם, כמו גם לעבוד יחד על בסיס נתונים משותף כדי לִבְנוֹת מודלים של אזורי מוח שונים ולנתח אותם. תפעול של פלטפורמה כל כך מתקדמת ידרוש שימוש במחשבים החזקים ביותר של ההווה והעתיד, וזאת בכי ליצור הדמיוֹת נאמנוֹת עבור מודלים של רקמות מוח גדולות אשר מכילים מיליונים רבים של תאי עצב של עכבר, ומיליארדי תאי עצב של מוח אנושי. זה מסובך בהרבה ממה שעשינו עד כה עם המחשבים שלנו.

שנית, אנו רוצים לשנות את הדרך שבה אנו עורכים מחקר על מחלות נפשיות; זהו ההיבט הרפואי בפרויקט המוח האנושי. המוח הוא מכוֹנה נפלאה, יצירתית ורגשית, אבל הוא שברירי במיוחד (אם כי לא רק) בגיל מבוגר, כשמחלות הרסניות כמו אלצהיימר, פרקינסון, דיכאון והפרעות שינה נוטות להופיע. הטיעון המרכזי של פרויקט המוח האנושי הוא שאם אנו רוצים לתקן את המוח אז בהכרח אנו צריכים מודל ממוחשב מדויק של האזורים אשר אחראים על מחלה מסוימת. כלומר, אם מודל ממוחשב יכול לייצר פעילות שמחקה את המחלה המוחית (למשל, במהלך פרקינסון, ראו איור 3B), נוכל לגלות מה יצר את הפעילות הבלתי תקינה הזו במודל הממוחשב ואז, כיוון שבָּנִינוּ בעצמנו את מודל הרשת צעד אחר צעד, אנו אמורים להיות מסוגלים להבין מה השתבש שאחראי על היווצרות פעילות ה”כְּמוֹ-מחלה“ ברשת המחשב. אינטראקציה מדעית כזו עם ההעתק הדיגיטלי של המחלה המוחית יספקו דרכים מסודרות לתקן את ”המחשב החולה“ ויאפשרו לאתֵּר את הרכיבים שאחראים להיווצרות המחלה (למשל, כֶּשֶׁל בתפקוד של סינפסות/ קשרים מסוימים, או סוגים מסוימים של תאי עצב אשר ”יורים“ אותות חשמליים באופן בלתי תקין).

שלישית, אנו ננסה ללמוד מהמוח עצמו ולקבל ממנו השראה כיצד לפתֵּח את הדור הבא של מחשבי העל. אחרי הכול, המוח הוא הדוגמה המרשימה ביותר לעובדה שמכוֹנה פיזית אשר בנויה ממספר עצום של מיקרו-שבבים (תאי עצב), יכולה לבצע חישובים מופלאים תוך צריכת אנרגיה נמוכה מאוד. בדרך זו המוח ילמֵּד אותנו איך לִבְנות מחשבים אשר בתורם יעזרו לנו להבין את המוח.

בין כל הפעילויות האלה עולָה בפרויקט המוח האנושי השאלה איך ”לספר את הסיפור“ של ממצאינו המדעיים למוחות צעירים כמו שלכם ולקהל הרחב כולו? פרויקט המוח האנושי נתמך על-ידי כל הציבור ומטרתו לעזור למוחות של כולנו, בעת הצורך. כל מי שסַּקְרָן אמור לקבל תשובות נבונות לשאלותיו הקשורות בפרויקט. עבור מטרה זו אנו מתכננים לפתוח ”פינה מוחית“ בהרבה מוזיאונים למדע ברחבי העולם, לְשָׁם נשלח מידע על התוצאות העכשוויות והחשובות שהתקבלו בפרויקט המוח האנושי. אנו נפתֵּח בלוגים ופורומים כדי לְתַקְשֵׁר איתכם ולדון בשאלותיכם, מוּסריוֹת ואחרות. במובנים רבים, אנו נהפוך אתכם לחלק מפרויקט המוח האנושי, ונסתמך על המוח הייחודי של כל אחד ואחת מכם.

אלה ”זמנֵּי-מוח“ מרגשים, שבהם הגמישות והסקרנות של מוח האדם הגיעו לנקודה שבּה המוח עצמו פיתח כלים תיאורטיים (מתמטיים) וטכנולוגיים (מחשבים; סריקות מוחיות ומכשירים חשמליים, אופטיים וגנטיים) שקידמו אותנו להבנת המוח בדרכים חדשות, עמוקות ומדהימות. על כולנו, אם כן, להיות מוכנים ולקחת חלק בקפיצה האנושית הבאה, כשהמוח ימצא דרכים משוכללות להבין, וגם לתקן, את עצמו.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מקורות

[1] Official Web Site for the Human Brain Project. https://www.humanbrainproject.eu.

[2] Markram, H. 2006. The blue brain project. Nat. Rev. Neurosci. 7:153–60. doi: 10.1038/nrn1848

[3] Druckmann, S., Hill, S., Schürmann, F., Markram, H., and Segev, I. 2012. A hierarchical structure of cortical interneuron electrical diversity revealed by automated statistical analysis. Cereb. Cortex. 23:2994–3006. doi: 10.1093/cercor/bhs290