שני חוקרים מאוניבריסטת תל אביב הצליחו להטביע מספר “זיכרונות” ברשת נוירונים שגוּדלה בצלוחית

פרופ' אשל בן יעקב, פיזיקאי באוניברסיטת תל אביב, ואיתי ברוכי, תלמידו לדוקטורט (שמאז היה לד”ר), הצליחו ליצור, לראשונה בהיסטוריה, שבבים נוירוניים (neurochips) – שבבי זיכרון ועיבוד מידע הבנויים מרשתות נוירונים חיים

אשל בן יעקב

בנימוקים לזכייתם של השניים להימנות על רשימת 50 המדענים המשפיעים לשנת 2007 של המגזין סיינטיפיק אמריקן, כותבים השופטים כי בזכות עבודתם החלוצית בחקר המוח הצליחו פרופ' אשל בן יעקב, פיזיקאי באוניברסיטת תל אביב, ואיתי ברוכי, תלמידו לדוקטורט (שמאז היה לד”ר), ליצור, לראשונה בהיסטוריה, שבבים נוירוניים (neurochips) – שבבי זיכרון ועיבוד מידע הבנויים מרשתות נוירונים חיים. הישגם המדעי מציג מהפך בהבנת תהליכי למידה ברשתות נוירונים וסולל את הדרך למהפכה טכנולוגית של בניית רובוטים המשלבים מחשב ושבבים נוירוניים.

גישתם החדשנית לקידוד ואחסון מידע במוח אפשרה להם להצליח במקום שבו נכשלו רבים – הם הצליחו להטביע מספר “זיכרונות” ברשת נוירונים שגוּדלה בצלוחית. פיזיקאים, אומר בן יעקב, אוהבים להתחיל בגרסה פשוטה של הבעיה שהם חוקרים, וממנה להסיק איך לגשת לגרסתה המסובכת יותר. באחד מכיווני המחקר שלו, הוא מנסה להבין כיצד המוח לומד וזוכר, ולשם כך התחיל בשאלה פשוטה יותר – כיצד אפשר לשמור מידע ברשת נוירונים שגדלה בצלוחית. לאחר שהצליחו במשימה להטביע זיכרון חדש ברשת, הבינו החוקרים שניסויים הוא למעשה צעד בדרך לבניית שבב זיכרון ועיבוד מידע חי, ומדגים אופן למידה חדש בעל השלכות נרחבות – מ”מוח בצלוחית” ועד לימוד אנושי.

על מנת שיוכלו להטביע זיכרונות ברשת נוירונים, היה על החוקרים לחבר תחילה את הרשת למחשב. הם ערבבו מיליוני נוירונים מקליפת המוח של חולדות במדיום נוזלי ויצקו אותם באופן אחיד על מערך של אלקטרודות, כדי שיוכלו להקליט את פעילותם החשמלית. הנוירונים שבצלוחית הצמיחו אקסונים ודנדריטים (שלוחות המשמשות לתקשורת בין הנוירונים) והתחברו זה לזה ברשת מורכבת.

נוירונים משוחחים ביניהם בפעימות מתח חשמלי: כל נוירון מקבל אותות מנוירונים רבים אחרים ומגיב ביצירת פעימות משלו ובשיגורן לנוירונים אחרים. החוקרים ציפו שהנוירונים בצלוחית ייצרו פעילות חשמלית, אך להפתעתם גילו שהפעילות איננה אקראית אלא מפגינה תבניות מסודרות החוזרות על עצמן – נוירונים מסוימים יורים בסדר מסוים. תבנית ירי נמשכת כרבע שנייה, והיא חוזרת ומופיעה במרווחי זמן של שניות.

איתי ברוכי

מכיוון שתבניות הירי של הנוירונים ברשתות חוזרות על עצמן, הן נתפסות כמידע מאוחסן, או כתבניות זיכרון. חוקרים רבים ניסו ומנסים “ללמד” רשתות זיכרונות חדשים. מכיוון שמוחנו מקבל אותות חשמליים מאיברי החישה שלנו, היה זה טבעי לנסות לעשות זאת באמצעות גירוי חשמלי של נוירונים. ואולם, כל הניסויים הללו לא צלחו.

בשלב הבא נעשו ניסויים בגירוי כימי, באמצעות דופמין, סרוטונין ועוד – חומרים המפקחים על העברת המסרים בין הנוירונים במוח. חשוב לציין, שהרשתות מורכבות משני סוגי נוירונים, מעוררים ומעכבים. ירי של נוירון מעורר משפיע על נוירונים אחרים לירות, ואילו ירי של נוירון מעכב מדכא ירי של נוירונים אחרים. בניסויים האמורים נבדקו אפשרויות שונות ללמד את הרשת תעלולים חדשים: “על-ידי שכר” – הגברה של פעילות הרשת על-ידי המרצת הנוירונים המעוררים – או “על-ידי עונש” – דיכוי של פעילות הרשת על-ידי דיכוי הנוירונים המעוררים. גם ניסויים אלה לא הניבו תוצאות.

בן יעקב וברוכי בחרו לעשות זאת בדרך שונה: למתן את השפעת הנוירונים המעכבים. הנחת העבודה היתה שהחלשת העיכוב תעניק לרשת חופש פעולה מוגבר, ואז היא תוכל לייצר תבניות פעילות חדשות. הם קראו לזה “למידה על-ידי שחרור”. הנוירונים המעכבים לא דוכאו ישירות; תחת זאת, שובש מעבר האותות שלהם. חידוש נוסף בעבודתם היה הזרקה ננומטרית מקומית של החומר הכימי בכמויות קטנטנות ובאתרים נבחרים, ולא על פני הרשת כולה, כשמקום ההזרקה נבחר בהתאם לניתוח פעילות הרשת בזמן אמת. כך הוגבל הגירוי לאזור זעיר סביב אלקטרודה יחידה. בסף הכול הוזרקו עשרים טיפות, אחת כל עשרים שניות. הגירוי הכימי עורר ברשת תבנית פעילות חשמלית מסוימת, וזו חזרה והופיעה שוב ושוב, כזיכרון שלא נמחק. תבנית זו נשארה ברשת במקביל לתבנית המקורית. כעת הכילה הרשת שני “זיכרונות”.

לאחר עשרים וארבע שעות נערך עוד סבב לימוד, באתר שונה מאתרי ההתחלה של שתי התבניות הקיימות. תבנית שלישית נוצרה ברשת ונשארה בלי למחוק את התבניות הקודמות. שלוש תבניות ירי שונות הופיעו מעת לעת ברשת במשך ארבעים שעות. היתה זו הפעם הראשונה שמדענים הצליחו להטביע ברשת נוירונים מספר זיכרונות ארוכי-טווח – ליצור שבב זיכרון נוירוני.

בן-יעקב וברוכי סבורים שבעתיד יהיה אפשר לתת לרשת גירוי חשמלי וכימי משולב, שיכתיב לא רק את נקודת ההתחלה אלא את סדר הירי כולו. גם מבנה הרשת יהיה ניתן לתכנון (כיום הרשת מפוזרת בצלוחית באופן אחיד). משם, תהיה הדרך סלולה לבניית שבב זיכרון נוירוני בעל דפוס ירי מוכתב והדיר.

בן-יעקב כבר עובד, יחד עם ד”ר יעל חנין מהפקולטה להנדסה, על יצירת רשתות נוירונים בגיאומטריה מבוקרת. לשם כך, הם פיתחו אלקטרודות מיוחדות העשויות איים של צינוריות פחמן ננומטריות. מכיוון שנוירונים אוהבים להיצמד לאלקטרודות אלה, אפשר באמצעות מערך אלקטרודות בצורה מסוימת ליצור רשת בעלת אותה הצורה. תכונות ההולכה של אלקטרודות הפחמן מאפשרות להקליט את פעילות הנוירונים ולתת גירוי חשמלי .

ולאן הולך כל זה? רבים שואלים אם המוח הוא מחשב משוכלל. בן יעקב עונה בלאו מוחלט: למחשבים אין יכולות קוגניטיביות, אין להם גמישות פעולה – הם קבועים. כדי להגמיש את “מוח” המחשב, בן יעקב שואף לחבר אליו רשתות נוירונים וליצור מחשב ביולוגי, שיהיה מערכת מתפתחת. מערכת כזאת, בהינתך לה משימה, תלמד תוך כדי דיאלוג בין הרשת למחשב ותשכלל את עצמה לביצוע מיטבי של המשימה. הרשת תבצע את החלק הקוגניטיבי, של אינטראקציה עם הסביבה, זיהוי צלילים ותמונות וקבלת החלטות. ברוכי סבור שזהו המפתח לפיתוחים טכנולוגיים דוגמת זיהוי כתב יד, שעליו עובדת מיקרוסופט כבר זמן רב, בהצלחה חלקית.

בעתיד הנראה לעין, היכולת להטביע תבניות זיכרון ברשתות מלאכותיות של תאי מוח עשויה להניב טכנולוגיות שונות. בן יעקב חוזה אפשרות לטפל בהפרעות נוירולוגיות, כגון מחלות אלצהיימר ופרקינסון. בהמשך, הוא סבור שיהיה אפשר להוסיף לרשתות נוירונים תאי גזע ולהתאימן לתפקודים ספציפיים על-ידי מתן גירויים הולמים. בטווח הרחוק עוד יותר, הוא מקווה שיהיה אפשר לפתח טיפול לאפילפסיה על-ידי הזנת פעילות המוח של חולה למחשב ביולוגי. המחשב ינתח את הפעילות, יזהה את הליקויים ויתקנם, ויזין למוח החולה תבנית פעילות מתוקנת.