כדי לחקות תא עצב אנושי יחיד נדרשת רשת עצבית עמוקה

חוקרים מהאוניברסיטה העברית השתמשו בבינה מלאכותית כ״תאום חישובי״ של נוירון ומצאו כי המבנה המסועף של הדנדריטים והתגובות הלא־ליניאריות בסינפסות מעניקים לתאים אנושיים מורכבות חישובית גבוהה. הממצא אינו מוכיח שתא בודד הוא סוד האינטליגנציה, אך מצביע על כך שאבני הבניין של המוח מתוחכמות מכפי שנהוג היה לחשוב

״אנשים נוטים לחשוב על נוירון כעל מתג פשוט שנדלק או כבה. מה שאנחנו מראים הוא שתא עצב אנושי יחיד הוא בעצמו התקן חישובי מתוחכם להפליא״, אומר פרופ׳ עידן שגב מהאוניברסיטה העברית.

מה מאפשר למוח האנושי שפה, דמיון, מתמטיקה, יצירה ויכולת לפתור בעיות מורכבות? במשך שנים התמקד חלק גדול מן ההסבר במספרם העצום של תאי העצב במוח ובקשרים הרבים ביניהם. מחקר חדש מציע כי חלק מן התשובה עשוי להימצא גם בקנה מידה קטן בהרבה – ביכולת החישובית של תא עצב אנושי יחיד.

החוקרים השתמשו ברשתות עצביות מלאכותיות כדי למדוד את המורכבות החישובית של נוירונים בקליפת המוח. במקום להסתפק בתיאור המבנה או הפעילות החשמלית של התא, הם שאלו שאלה חישובית: עד כמה קשה לרשת מלאכותית ללמוד לחקות את הקשר בין האותות הנכנסים לתא לבין התגובה החשמלית שהוא מפיק?

ככל שנדרשה רשת מלאכותית עמוקה ומורכבת יותר כדי לחקות את הנוירון, כך הסיקו החוקרים כי יכולת העיבוד של התא הביולוגי גבוהה יותר.

המחקר נערך בידי עידו אייזנבוד, דניאלה יואלי ודוד בניאגייב, בהנחיית פרופ׳ מיקי לונדון ופרופ׳ עידן שגב מהמרכז למדעי המוח על שם אדמונד ולילי ספרא באוניברסיטה העברית. במחקר השתתף גם פרופ׳ כריסטיאן דה קוק מהאוניברסיטה החופשית של אמסטרדם. הוא פורסם בכתב העת PNAS.

רשת עצבית שמשמשת סרגל מדידה

רשתות עצביות מלאכותיות שואבות השראה כללית מן המוח, אך היחידות הבסיסיות שלהן פשוטות מאוד בהשוואה לתאי עצב ביולוגיים. כל יחידה מלאכותית מקבלת מספר ערכים, משקללת אותם ומעבירה את התוצאה לשכבה הבאה.

נוירון אמיתי פועל בדרך מורכבת יותר. הוא מקבל אלפי אותות מתאים אחרים באמצעות סינפסות הפזורות לאורך הדנדריטים – שלוחות מסועפות היוצאות מגוף התא. האותות אינם מתחברים בהכרח בסכימה פשוטה. מיקומם על העץ הדנדריטי, עוצמתם, העיתוי שלהם והתכונות החשמליות המקומיות יכולים לשנות את התוצאה.

החוקרים בנו מודלים ממוחשבים מפורטים של תאי עצב והפיקו מהם דוגמאות רבות של קלט ופלט. לאחר מכן אימנו רשת עצבית מלאכותית לשמש מעין ״תאום״ של כל נוירון: לקבל את אותם אותות ולנסות לחזות את תגובתו.

אם רשת רדודה ופשוטה הצליחה במשימה, פירוש הדבר שהתא הביולוגי ביצע פעולה שקל יחסית לתאר. כאשר היה צורך ברשת עמוקה יותר, בעלת שכבות חישוב רבות, הדבר העיד על קשר מורכב יותר בין הקלט לפלט.

הדנדריטים אינם רק כבלי קלט

הממצאים מצביעים על כך שהדנדריטים ממלאים תפקיד מרכזי בכוח החישוב של תא העצב. בעבר תוארו לעיתים הדנדריטים בעיקר ככבלים המעבירים אותות אל גוף התא. מחקרים מצטברים מראים כי הם עצמם מבצעים עיבוד מידע.

ענפים שונים של העץ הדנדריטי יכולים להגיב באופן מקומי לצירופים מסוימים של אותות. אותות המגיעים יחד לענף אחד עשויים ליצור תגובה שונה מאותם אותות כשהם מפוזרים על פני ענפים נפרדים. כך יכול התא לזהות דפוסים, להדגיש צירופים מסוימים של קלט ולהתעלם מאחרים עוד לפני שהמידע מגיע לגוף התא.

לפי המחקר, השילוב בין המבנה המסועף של הדנדריטים לבין תגובות לא־ליניאריות בסינפסות מגדיל במידה ניכרת את המורכבות התפקודית של נוירונים אנושיים.

״לא־ליניארי״ פירושו שהתוצאה אינה בהכרח סכום פשוט של כל האותות. שני אותות המגיעים יחד יכולים ליצור תגובה גדולה בהרבה – או קטנה בהרבה – מסכום התגובות שכל אחד מהם היה יוצר בנפרד.

יתרון חישובי לתאים אנושיים

החוקרים מצאו כי קשה יותר לרשת מלאכותית לחקות את התנהגותם של נוירונים אנושיים בקליפת המוח מאשר את התנהגותם של תאי עצב ממינים אחרים שנבדקו. כדי להגיע לרמת דיוק דומה נדרש מודל עמוק יותר.

המשמעות אינה שתא עצב יחיד מסוגל לחשוב, להבין שפה או לזהות עצמים כפי שעושה מוח שלם. יכולות כאלה נוצרות מפעילות מתואמת של אוכלוסיות עצומות של תאים ומן הקשרים ביניהם.

עם זאת, המחקר מראה כי היחידה הבסיסית שממנה בנויה הרשת האנושית אינה בהכרח רכיב פשוט. כל תא עשוי לבצע עיבוד פנימי נרחב לפני שהוא שולח את האות שלו לתאים אחרים.

התוצאה מערערת על התיאור הפשוט של המוח כמערכת שבה כל נוירון הוא מתג בינארי, ואילו כל המורכבות נוצרת רק ברמת הרשת. נראה כי קיימות לפחות שתי רמות של חישוב: בתוך תא העצב עצמו ובין תאי העצב המחוברים לרשת.

לא הוכחה ל״סוד האינטליגנציה״

הכותרת של הודעת האוניברסיטה מעלה את האפשרות שסוד האינטליגנציה האנושית טמון בכוחו של תא יחיד, אך יש להתייחס לכך בזהירות. המחקר אינו מודד אינטליגנציה ואינו מוכיח קשר ישיר בין מורכבותו של נוירון מסוים לבין שפה, יצירתיות או חשיבה מופשטת.

הוא מספק שיטה להשוואת המורכבות החישובית של תאים ומראה כי המבנה והתכונות החשמליות של נוירונים אנושיים מאפשרים להם לממש פונקציות מורכבות יותר במסגרת המודל שנבדק.

גם ההשוואה לרשת עצבית עמוקה אינה אומרת שתא ביולוגי ורשת בינה מלאכותית פועלים באותה צורה. הרשת המלאכותית שימשה כאן כלי מתמטי למדידת הקושי לחקות את התא, ולא העתק ביולוגי שלו.

עם זאת, הממצא מעלה אפשרות שחלק מן ההתפתחות האבולוציונית של היכולות האנושיות לא נבע רק מהגדלת מספר תאי העצב או ממספר הקשרים ביניהם, אלא גם משכלול יכולות העיבוד של התאים עצמם.

השראה לדור חדש של בינה מלאכותית

המחקר עשוי להשפיע גם על תכנון מערכות בינה מלאכותית. רוב הרשתות הקיימות בנויות ממספר גדול מאוד של יחידות פשוטות יחסית. המוח, לעומתן, בנוי מתאים שכל אחד מהם עשוי לבצע חישוב פנימי עשיר.

מערכות עתידיות יוכלו אולי להשתמש ביחידות מלאכותיות מורכבות יותר, שבהן מתקיים עיבוד דמוי־דנדריטים לפני שהמידע מועבר הלאה. גישה כזאת עשויה לאפשר לרשתות לבצע חישובים מסוימים באמצעות פחות יחידות או פחות שכבות.

עם זאת, תוספת מורכבות לכל יחידה עלולה גם להכביד על האימון ועל החומרה. יהיה צורך לבדוק האם חיקוי מאפיינים ביולוגיים אכן מעניק יתרון מעשי במערכות בינה מלאכותית, או רק מעביר את המורכבות ממבנה הרשת אל תוך היחידות עצמן.

המסגרת שפיתחו החוקרים יכולה לשמש גם להשוואה בין סוגים שונים של תאי עצב, אזורים שונים במוח, מינים שונים ואולי בעתיד גם בין תאים בריאים לתאים שנפגעו ממחלות מוח.

שאלות ותשובות

מה גילו החוקרים על תא עצב אנושי? הם מצאו כי כדי לחקות במדויק את הקשר בין האותות הנכנסים לנוירון אנושי לבין תגובתו נדרשת רשת עצבית מלאכותית עמוקה יחסית. הדבר מעיד על מורכבות חישובית גבוהה של התא.

כיצד מדדו את המורכבות של הנוירון? החוקרים אימנו רשת עצבית מלאכותית לחקות את פעולת התא. ככל שנדרשו יותר שכבות ומשאבים כדי להשיג חיקוי מדויק, כך הוערכה פעולת התא כמורכבת יותר.

מה מעניק לנוירון האנושי את כוח החישוב שלו? המחקר מצביע על המבנה המסועף של הדנדריטים ועל התגובות הלא־ליניאריות של הסינפסות כגורמים מרכזיים המאפשרים לתא לעבד צירופים מורכבים של אותות.

האם תא עצב יחיד הוא מקור האינטליגנציה האנושית? המחקר אינו מוכיח זאת. אינטליגנציה נובעת מפעילותן של רשתות עצומות של תאים, אך הממצאים מראים שכל אחת מאבני הבניין של הרשת עשויה להיות מתוחכמת יותר מכפי שנהוג היה להניח.

עוד בנושא באתר הידען

• חוקרים תכנתו תאים אנושיים לבצע פעולות לוגיות ולקבל החלטות
• מה המונדיאל עושה למוח שלנו?
• האם אלגוריתם יכול להחליט בלי רופא? ישראל תבחן בינה מלאכותית רפואית אוטונומית
• בינה מלאכותית מתרגמת רצפי חלבונים לתיאורים בשפה טבעית

למאמר המדעי: פתיחת המאמר המדעי