Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 25 בינואר, 2019

הבנה של מחשבות במוח האדם ופענוחן

תַקצִיר

אנשים רבּים אינם יכולים לתקשר בגלל בעיות פיזיות, כמו למשל שיתוק. מטופלים כאלה אינם מסוגלים לדבֵּר עם חבריהם, אבל המוחות שלהם עדיין עובדים בצורה תקינה. הם יכולים לחשוב בעצמם, והיו יכולים להפיק תועלת ממכשיר שקורא את מוחם ומתרגם את מחשבותיהם לכדי דיבור שאפשר לשמוע. במחקר שלנו, מיקמנו אלקטרודות מתחת לגולגולות של המטופלים, ישירות על שטח הפנים של המוח, ומדדנו את פעילות המוח בזמן שהמטופלים חשבו. אחרי כן ניסינו לפענח את המילים שהם דמיינו, לתרגמן ולהפוך אותן לצלילים. הראינו שאנו יכולים לפענח חלק מהצלילים מבֵּין אלה שהמטופלים חשבו עליהם. זה היה הניסיון הראשון שלנו לתרגם מחשבות לדיבור, ואנו מקווים להשתפר בעתיד, מאחר שהרבה מטופלים שאינם יכולים לדבֵּר אבל כן יכולים לחשוב באופן תקין עשויים להפיק תועלת מ’מפענח דיבור’.

אנשים רבים סובלים משיתוק חמוּר, שזו בעיה בהזזת הידיים והרגליים שלהם, וחלק מהם אינם יכולים לתקשר את מה שהם רוצים לומר למרות שהם מוּדעים לחלוטין ובעלי יכולת לחשוב במוחם על המילים. האנשים האלה הם אסירים בתוך הגוף שלהם. המוח שלהם מתפקד באופן מלא והם יכולים לחשוב בצורה רגילה, אבל הגוף שלהם אינו מגיב. המטופלים האלה היו נהנים ממכשיר שהיה יכול לקרוא את המוח שלהם, לתרגם את הפעילות המוחית שלהם ולהשמיע בקול רם את המילים שאין ביכולתם לומר. במחקר הזה ניסינו לפענח מה אנשים חשבו, כצעד ראשון לקראת בנייה של מכשיר קורא-מוחות שיכול ”לדבֵּר“ את המילים שאנשים רוצים לבטא. מגניב, נכון?

אבל… בניית מכשיר כזה היא מאתגרת מאוד עבור מדענים, מאחר שיש צורך לפתור תחילה כמה אלמנטים מורכבים. ראשית, אנו צריכים להקליט את הפעילות המוחית של אנשים תוך שימוש בטכנולוגיות המתקדמות ביותר שזמינוֹת עבורנו (איור 1A). שנית, אנו גם צריכים להבין איך דיבור מאוחסן במוח ומעובד בו (איור 1B). כדי להבין איך עובד הדיבור במוח אנו צריכים כלים מתמטיים (איור 1C) שיתרגמו את פעילות המוח לפעילות החשמלית, לדיבור, שיהיה מובן ושכולם יכולים לשמוע (איור 1D).

איור 1 - שיטת פענוח.
  • איור 1 - שיטת פענוח.
  • A. הפעילות החשמלית של המוח נרשמת תוך שימוש באלקטרודות (עיגולים אדומים) שמונחות ישירות על פני השטח של המוח, מתחת לגולגולת. B. מחשבות ממופות לפעילות של המוח (כלומר, מְקַשְּׁרים בין המחשבה לבין הפעילות שהמוח מבצע בזמן שחושבים אותה). C. משתמשים בכלים מתמטיים כדי לפענח את הפעילות החשמלית של המוח ולתרגם אותה לכדי דיבור שאפשר להבין. D. הדיבור המפוענח משודר בקול רם.

הגישה שלנו היא קצת כמו תרגום של שפה זרה לשפת הָאֵם. לדוגמה, אם אינכם מדבְּרים צרפתית, אבל אתם רוצים להבין מה שחבֵר שלכם אומר בצרפתית, מה אתם צריכים? אתם צריכים מתרגם. לאחר שנים רבות של מחקר של שתי השפות האלה, אנו יודעים איך לקשר אותן אחת לשנייה. בעזרתם של חוקי דקדוק, מתרגם יכול למפות מילים בצרפתית למילים באנגלית, מה שבסופו של דבר מאפשר לכם להבין את מה שהחבֵר שלכם אומר. במחקר שלנו, אנו רוצים לתרגם את הפעילות החשמלית שהמוח מייצר בזמן מחשבה, לצלילי דיבור שאפשר לשמוע ולהבין.

מהם בדיוק צלילי דיבור?

בחיי היומיום, אנו מחליפים בינינו מחשבות ורעיונות באמצעות שפה ותקשורת. במהלך השיחות האלה אנו מקשיבים לאנשים, אנו חושבים על הנושא המדובר ואנו מייצרים דיבור כדי לענות ולתקשר איתם. התהליך הזה מורכב מאוד, וחוקרים עבדו שנים רבות כדי להבין איך שפה מקוּדדת במוח [1].

כשאנו מדברים בקול רם אנו מפיקים צלילים. צליל הוא גל, וגלי קול יכולים להיות מיוצרים על-ידי הרבה מקורות, כמו למשל נביחה של כלב, נפילה של עץ, רעם בסופה או דיבור של בן אדם. גל קול מתפשט באוויר, ואתם שומעים אותו כשהוא מגיע לאוזניכם ומרטיט את עור התוף. לדוגמה, כשפורטים על גיטרה, גל קול מיוצר ומתפשט באוויר. העובדה שאנו קולטים צלילים בטונים שונים נובעת מכך שלגלי קול יש תדרים שונים (איור 2). כשפורטים על מיתר ”לה“ של הגיטרה, מיוצר צליל בטון נמוך. זה קורה בגלל שהמיתר מתנודד בתדר נמוך. לעומת זאת, כשפורטים על המיתר ”רה“ של הגיטרה, מקבלים צליל בטון גבוה. כשפורטים על שלושה מיתרים באותו הזמן, הצליל שמתקבל הוא סכום של כל שלושת גלי הקול הבודדים. הפקת דיבור היא דומה. כשמישהו מדבֵּר בקול רם שומעים צליל מסוים. אבל, הצליל הזה מורכב מכמה תדרים שמשתנים בזמן. בִּפְרָט, גֶּבֶר שמדבֵּר בקול נמוך מייצר גלי קול שמורכבים מתדרים נמוכים, בעוד שאישה המדברת בקול גבוה מייצרת גלי קול שמורכבים מתדרים גבוהים יותר. לכל אחד מאיתנו יש ’תיבת קול’ שונה, שהיא בעלת תכונות מכניוֹת מסוימות ומייצרת דיבור בטונים שונים.

איור 2 - פירוק של צלילים לתדרים A.
  • איור 2 - פירוק של צלילים לתדרים A.
  • דוגמאות לגלי קול שונים שמופקים כאשר פורטים על מיתרי גיטרה שונים, כמו גם כשכמה מיתרים שונים נפרטים באותו הזמן. לוח תחתון: ייצוג ספקטוגרמה של גל הקול הכחול. B. דוגמה לגל קול של דיבור וייצוג הספקטוגרמה שלו.

חשיבה היא הפעולה של שימוש במוח לצורך הפקה של רעיונות, קבלת החלטות, שחזור זיכרונות ויצירת תקשורת עם אחרים. כולנו חושבים במהלך היום, ויש לנו את הקול הקטן הזה בתוך הראש שלנו שמנחה אותנו. כשאנו חושבים, אנו יכולים לשמוע מילים בראשנו; אנו יכולים לקלוט טונים שונים, קולות שונים וצלילים שונים בתוך הראש שלנו, בלי לשמוע את הצלילים מבחוץ. עובדה זו מציעה שיש לנו ייצוגים פנימיים של דיבור שהם דומים מאוד למצב שבו אנו מדבְּרים בקול רם. כדי להבין איך צלילי הדיבור האלה מופקים (בקול רם או בתוך הראש שלנו), אנו צריכים להסתכל על הפעילות המוחית שמלווה אותם.

רישום פעילות המוח

כדי לבצע את המחקר הראשון רשמנו את הפעילות החשמלית במוחות של אנשים על-ידי מיקום אלקטרודות מתחת לגולגולות שלהם, ישירות על פני השטח של המוח (איור 3). הטכניקה הזו נקראת אלקטרוקורטיקוגרפיה, והיא מסוכנת מאחר שהיא דורשת ניתוח. זאת הסיבה שבגללה אנו משתמשים בשיטה זו רק על מטופלים שצריכים לעבור ניתוח מוחי. אבל, מיהם חולים אלה בדיוק? ברוב המקרים, אלה חולי אפילפסיה. אתם אולי מכירים מישהו במשפחה שלכם או בבית הספר שסובל מאפילפסיה, ושיש לו מדי פעם רעידות אלימוֹת ובלתי נשלטות בגוף, שהן תוצאה של כיווצים והרפיות חוזרים ונשנים של השרירים, אשר מְכֻנּוֹת בשם ”התקף“. התקפים (שלפעמים נקראים גם פִּרְכּוסִים) מתרחשים כאשר מתקיימת במוח פעילות חשמלית בלתי שגרתית. בחלק מהמקרים תרופות אינן עובדות ואינן משתלטות על ההתקפים. במקרים כאלה הדרך היחידה לטפל בהתקף היא למצוא את החלק במוח שאינו מתפקד כראוי ויוצר את ההתקפים, ולהסיר אותו. כדי לאתֵּר בדיוק איזה חלק במוח גורם להתקפים, מנתחי מוח משתילים את האלקטרודות האלה במוח למשך שבוע או שבועיים. אנו מנצלים את משך הזמן הזה לבצע את הניסויים שלנו עם המטופלים (אם הם מסכימים, כמובן), כדי לחקור איך המוח עובד כשאנו אומרים מילים בראשנו.

איור 3 - מיקום של אלקטרודות במוח A.
  • איור 3 - מיקום של אלקטרודות במוח A.
  • צילום רנטגן של מיקום האלקטרודות. B. מיקום כירורגי (בעת ניתוח) של אלקטרודות על פני המוח. C. מיקום האלקטרודות על פני מודל תלת-ממדי על המוח.

ובכן, האם אנו יודעים איך המוח עובד כשאנו אומרים מילים בקול רם או בראשנו?

איך עובד הדיבור במוח?

כמה חלקים במוח מעורבים בשמיעה, הבנה ויצירה של דיבור. כל אחד מהאזורים האלה מְתַקשר עם האחרים דרך רשת של תאי עצב (נוירונים) מחוברים, שהם תאי המוח שלנו. תאי העצב האלה מייצרים פעילות חשמלית, והם מחוברים אחד לשני ומייצרים רשת שדרכּהּ הם יכולים ”לדבֵּר“ זה עם זה. ראשית, מערכת השמיעה מעבדת את צלילי הדיבור בחלק המוח שנמצא באזור הרקות, אותו אפשר לראות באיור 4 בצבע כחול. לאחר מכן, אזור ורניקה (Wernike, ורוד) אחראי על הבנת צלילי הדיבור. לבסוף, אזור ברוקה (Broca, ירוק) מעורב בתכנון תגובת הדיבור והעברת המידע לקליפת המוח המוטורית (צהוב), שהיא החלק במוח ששולט על תנועה. קליפת המוח המוטורית מתאמת בין השרירים הקטנים בגרון, בפה ובשפתיים, אשר מייצרים את הדיבור שאנו שומעים (נקראים גם איברי הדיבור).

איור 4 - ארגון הדיבור במוח.
  • איור 4 - ארגון הדיבור במוח.
  • קליפת המוח השמיעתית מעורבת בשמיעת הצלילים. אזור ורניקה מעורב בהבנת צלילי הדיבור, בעוד שאזור ברוקה מעורב בתכנון תגובת הדיבור. לבסוף, קליפת המוח המוטורית אחראית על תיאום בין השרירים שאחראיים על יצירת המילים.

כשאנו חושבים, אזורי השפה במוח שלנו פעילים. דיבור בקול רם או דיבור בתוך הראש שלנו כוללים חפיפה של מנגנונים ואזורים שונים במוח. בפרט, קליפת המוח השמיעתית, אזור ורניקה ואזור ברוקה פעילים גם בזמן דיבור בקול רם וגם בזמן דיבור בתוך הראש. מה שקורה במוח אינו בדיוק זהה בשני המקרים, ואחד ההבדלים העיקריים הוא שקליפת המוח המוטורית פעילה הרבה יותר כשמדברים בקול רם מאשר כשמדברים בתוך הראש. זה דבר טוב, אחרת הייתם עלולים להגיד בקול רם דברים שלא הייתם רוצים להגיד למישהו, כמו למשל ”התספורת שלך מוזרה!“.

לדוגמה, אם אתם אומרים את המילה ”בייסבול“, זה יוצר תבנית מוגדרת וניתנת לזיהוי של פעילות מוחית, כמו חתימה על דף נייר. בכל פעם שאתם אומרים את אותה המילה, זה יוצר את אותה התבנית של פעילות מוחית. מצד אחר אם אתם אומרים את המילה ”סוס“ זה יוצר תבנית שונה של פעילות מוחית. באופן דומה, כשאתם חושבים על המילה ”בייסבול“, נוצרת בתגובה פעילות מוחית דומה לזו שנוצרת כשאתם אומרים את המילה הזו בקול רם. ברגע שאנו לומדים איך נראית תבנית הפעילות המוחית עבור מילים מסוימות, אנו יכולים לצפות איזו מילה נאמרה על-ידי התבוננות בתבנית שהתקבלה. במילים אחרות, אנו יכולים לפענח את הפעילות המוחית ולִבְנות ממנה חלקים מצלילי הדיבור.

מפענח הדיבור

המחקר הזה מחולק לשני חלקים. בחלק הראשון אנו מפענחים דיבור שמופק בקול רם. בחלק השני אנו מפענחים דיבור שמיוצר בשקט בתוך ראשו של המטופל. בחלק הראשון, רשמנו את הפעילות המוחית בזמן שאנשים דיברו בקול רם. לאחר מכן, בנינו על גבי מחשב מכשיר פענוח שהיה מסוגל לשחזר מתוך הפעילות המוחית חלקים מצלילי הדיבור שנאמרו בקול רם [2]. אבל רק שנייה, אלה חלקים בדיוק מצלילי הדיבור שוחזרו?

זכרו, צלילים מורכבים משילוב של תדרים שונים. בעזרת שימוש בנוסחאות מתמטיות אפשר לבודד כל אחד מהתדרים שנמצאים בצליל נתון. התוצאה של פירוק הצליל בצורה זו נקראת ייצוג ספקטוגרמה. ייצוג הספקטוגרמה הזה הוא מה שפענחנו במחקר שלנו. מדוע פענחו כל תדר בודד, ולא את שלל התדרים שנמצאים בצליל שלם? הסיבה היא שזו הדרך שבּה המוח מעבד צלילים, על-ידי ניתוח כל תדר בפני עצמו, ולא של תערובת של תדרים.

פענוח של דיבור שנוצר בשקט בראשו של המטופל היה מסובך יותר. פענוח מחשבות הוא, באופן כללי, קשה יותר מפענוח דיבור שמופק בקול רם. הסיבה לכך היא שאיננו יודעים בדיוק כיצד ומתי פעילות המוח שמיוצרת בזמן שחושבים ממופֵּית לצלילי דיבור, בהינתן שלא באמת מופק צליל בזמן המחשבה. לכן, אנו צריכים להבין איך לדעת מתי בן אדם חושב, וזו בעיה קשה לפתרון. יש לנו מושג לא רע לגבי איזה חלק במוח הוא פעיל, אבל איננו יכולים בדיוק לומר אלה אותות מקושרים עם אלה צלילי דיבור. אז, מה עשינו כדי לפענח מחשבות? השתמשנו באסטרטגיה אחרת, אשר מבוססת על העובדה שדיבור בקול רם ודיבור בתוך הראש כוללים חלקים חופפים של מנגנונים מוחיים. השתמשנו במודל שיכול לפענח מילים שנאמרו בקול רם, ומימשנו את מודל הפענוח הזה על נתונים מוחיים שנוצרו בזמן חשיבה. באמצעות השיטה הזו הצלחנו לשחזר חלק מצלילי הדיבור שהיו תואמים לצלילים שהיו מופקים אם המילים היו נאמרות בקול רם.

תוצאות

התוצאות שלנו הראו שאנו יכולים לפענח באופן חלקי את הספקטוגרמה של מה שהמטופלים חשבו. באיורים 5A ו-5B בהתאמה, אפשר לראות דוגמה לספקטוגרמה המקורית של המילים שנאמרו, והספקטוגרמה המשוחזרת של אותם צלילי הדיבור שנאמרו בקול רם ואלה שנאמרו בראשו של המטופל. השחזור יצא די מדויק [3]. אולם איכות הצליל לא הייתה טובה מספיק בשביל להבין מה בדיוק המטופלים חשבו. אבל, זה רק הניסיון הראשון שלנו, ואנו מקווים להשתפר. למעשה, אנו חייבים להשתפר בגלל שמטופלים רבּים שאינם יכולים לדבֵּר אבל חושבים מחשבות סדירות בראשיהם, יעזרו רבות במחקר הזה.

איור 5 - דוגמאות לספקטוגרמה מקורית ומשוחזרת.
  • איור 5 - דוגמאות לספקטוגרמה מקורית ומשוחזרת.
  • A. ספקטוגרמה מקורית של צלילים שנאמרו בקול רם וספקטוגרמה משוחזרת מפעילות מוחית של המטופל בעת שדיבר בקול רם. B. ספקטוגרמה מקורית של צלילים שנאמרו בקול רם וספקטוגרמה משוחזרת מהפעילות המוחית שהתקבלה בזמן אמירת המילים בשקט בתוך הראש (בעת מחשבה).

העבודה הזו מראה לנו שבסופו של דבר אפשר יהיה להשתיל מפענח דיבור אצל מטופלים שיש להם הפרעות מוחיות קשות, אשר משפיעות על כישורי השפה שלהם, מה שיחזיר את יכולתם לדבֵּר. האם אתם יכולים לדמיין כמה נפלא זה יהיה אם נוכל לעזור למטופל להגיד ’אני רעב’ או ’אני אוהב אותך’? זו הסיבה שהמדע הוא כל כך מהנה, כי אנו יכולים לעזור לאנשים לשפר את חייהם.

מילון מונחים

אלקטרוקורטיקוגרפיה (Electrocorticography): סוג של ניטור (או מעקב אחרי) פעילות מוחית אשר משתמש באלקטרודות שממוקמות ישירות על המשטח החשוף של המוח.

איברי דיבור (Articulators): שרירים קטנים בגרון, בפה ובשפתיים אשר מייצרים צלילים.

ספקטוגרמה (Spectrogram): ייצוג ויזואלי של התדרים השונים אשר מרכיבים צליל או אות.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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


מקורות

[1] Hickok, G., and Poeppel, D. 2007. The cortical organization of speech processing. Nature Reviews Neuroscience 8 (5): 393–402. doi: 10.1038/nrn2113

[2] Pasley, B. N., David, S. V., Mesgarani, N., Flinker, A., Shamma, S. A., Crone, N. E., et al. 2012. Reconstructing speech from human auditory cortex. Edited by Robert Zatorre. PLoS Biology 10 (1): e1001251. doi: 10.1371/journal.pbio.1001251

[3] Martin, S., Brunner, P., Holdgraf, C., Heinze, H. J., Crone, N. E., Rieger, J., et al. 2014. Decoding spectrotemporal features of overt and covert speech from the human cortex. Frontiers in Neuroengineering 7. doi: 10.3389/fneng.2014.00014