שבב בראש

רתימת כוחו של המחשב לתגבור המוח האנושי הייתה תמיד אחד מסימני ההיכר של המדע הבדיוני. אולם כעת, תיקון הזיכרון באמצעות שבב במוח מתקרב לשלב הניסוי בפועל 

אנה גריפית, סיינטיפיק אמריקן

רתימת כוחו של המחשב לתגבור המוח האנושי הייתה תמיד אחד מסימני ההיכר של המדע הבדיוני. אבל למעשה, מדענים כבר התקדמו בכמה צעדים לקראת שילוב מוח-מכונה. באביב 2007 מתכוון צוות מאוניברסיטת דרום קליפורניה להחליף רקמת מוח פגועה של חולדה בתותב עצבי.
במהלך השנים האחרונות הדגימו חוקרים את יכולתם לתרגם את מחשבותיו של יצור אחר לכדי פעולה. בשנת 2000, חיבר הנוירולוג מיגל ניקולליס מאוניברסיטת דיוק אלקטרודה למוחו של קוף ששלט באמצעותה בזרוע רובוטית בכוח מחשבתו. ממשקי מוח-מכונה, שפיתח הנוירולוג נילס בירבאומר מאוניברסיטת טובינגן שבגרמניה, כבר מסייעים לכמה מטופלים משותקים להזיז באמצעות גלי מוח את סמן המחשב ולבחור באמצעותו אותיות על המסך כדי לכתוב הודעות.
תאודור ו' ברגר ועמיתיו באוניברסיטת דרום קליפורניה (USC) פיתחו ממשק מוח-מכונה שלראשונה מתקשר בחזרה אל המוח. בינואר 2006 הם השתמשו בשבב סיליקון כדי לחקות את פעולותיהם של תאי עצב ביולוגיים בחתכי רקמה של היפוקמפוס, צומת מיון הזיכרונות ואחסונן, שהוצא ממוחה של חולדה. השבב החליף חלק מן ההיפוקמפוס שהוסר בניתוח ושחזר את פעולתו באמצעות עיבוד אותות עצביים ותרגומם לפלט המתאים ברמת דיוק של 90%.
כבר כמה שנים עומדים המהנדסים הביו-רפואיים על סף בדיקתו של שבב בחתכי היפוקמפוס, אבל הם נתקלו במחסומים שהאטו את התקדמותם. הטכנולוגיה של מערכי אלקטרודות לא פעלה כראוי בחתכי רקמה, מכשלה שהכריחה את החוקרים לפתח אלקטרודות משלהם. היה גם קושי לחתוך את ההיפוקמפוס באופן שישמור ללא פגע את המסלולים העצביים.
בנייתו של שבב ששטחו מילימטר רבוע אחד עולה עשרות אלפי דולרים ונמשכת כמה חודשים. לפיכך, הבדיקה באביב 2007 מתבססת למעשה על דגם של שבב כזה, כלומר על רכיב גדול יותר מסוג FPGA  – field programmable gate array שאפשר לתכנתו ולחברו למחשב. הרכיב יאפשר לחוקרים לבחון ולשנות בקלות את המודל המתמטי שלהם, המתאר את התקשורת העצבית בחולדה חיה, בטרם יצרבו אותו על שבב. סאם דידוויילר, פרופסור לפיזיולוגיה ולפרמקולוגיה באוניברסיטת ווייק פורסט ושותף במחקר, הדגים כיצד עירור ההיפוקמפוס של חולדות חיות באמצעות תבנית פעילות מסוימת משפר את ביצועיהן במשימות זיכרון, כמו למשל לזכור על איזו דוושה צריך ללחוץ כדי לקבל מים. בעוד כמה חודשים הוא ישתמש במודל מתמטי מתוכנת על FPGA כדי לחזות את הפעילות בהיפוקמפוס. אם יתברר המודל כנכון, יוכל השתל המלאכותי לשחזר את זיכרונן של חולדות הלוקות בשכחה שנגרמה באמצעות סמים.
בחיות מודל מורכבות מהן, מציע הפיזיקאי ארמנד טנגווי מאוניברסיטת דרום קליפורניה להשתיל יחידה רבת-שבבים שתקל על מעבר המידע. קרני אור יעבירו אותות בין יחידות עצביות המצויות על גבי שכבות שבב מרובות. בניגוד לתילים, קרני אור עוברות זו בדרכה של זו ללא הפרעה, תכונה המאפשרת הרבה יותר חיבורים. והתוצאה: רשת של קרני אור המקשרת שבבי סיליקון ומדמה רשת עצבית צפופה.
“החוקרים צפויים להתמודד עם אתגרים רבים כשמחקריהם יעברו מן המעבדה אל גוף החולדה,” אומר גרייס פֶּנג, מנהל תכנית במחלקה לגילוי מדעי וטכנולוגי של המכונים הלאומיים האמריקניים לבריאות (NIH). למעשה, אנשי הצוות אינם יודעים בוודאות לְמה לצפות בשעה שיתחילו לעבוד עם בעלי חיים. הכימאי מארק תומסון מאוניברסיטת דרום קליפורניה אומר שכדי למנוע דחייה על ידי מערכת החיסון ייתכן שיהיה צורך לעגן על גבי השבב מולקולות שבדרך כלל מאפשרות לתאים להידבק זה לזה. בדרך זו ידמו פני השטח של השתל לרקמה של הגוף. הגמישות העצבית, או יכולתו של המוח לזהות את הקשרים המצויים בו, עלולה אף היא להעמיד קושי מפני שהמוח עלול למנוע יצירה של קשרים יציבים בין העצבים לשבב. “בתחומי יישום אחרים, כמו למשל שליטה מוטורית או תפיסה, הגמישות וכושר ההסתגלות של המוח מסייעים בדרך כלל להשגת תוצאות באמצעות ממשקים מלאכותיים,” אומר פנג באופטימיות.
עוד קושי, שעשוי להתעורר אם ייבחנו שתלים דומים בבני אדם הוא האפשרות שעקיפתם של עצבים פגועים בהיפוקמפוס עלולה לעקוף גם חיבורים עצביים אחרים במוח המסננים את זיכרונותינו. במילים אחרות: המוח אולי לא יוכל עוד לזקק את הזיכרונות. אם כך יקרה, השתל אכן יהיה רכיב בלתי נשכח באמת.