השפה שכל בני האדם מדברים

פרופ' תמר פלש מפתחת מודלים מתמטיים לניסוח החוקיות של תנועות אנושיות יום-יומיות ושל האופן שבו המוח מרכיב תנועות מסובכות

פרופ' תמר פלש. צילום: מכון ויצמן
פרופ' תמר פלש. צילום: מכון ויצמן

היכולת להניע את הגפיים היא כלי בסיסי בתפקוד היום יומי שלנו. בלי לשים לב אנחנו מבצעים אלפי תנועות בכל יום, כשכל תנועה מתאפיינת בעוצמה, במהירות, ובתאוצה משתנות. כל תנועה מערבת ודורשת תיאום בין מספר רב של שרירים ומפרקים, ומערכת העצבים המרכזית היא זו שמופקדת על הניהול המדויק של המערכה הסבוכה.

פרופסור תמר פלש, מהמחלקה למתמטיקה שימושית במכון ויצמן, מנסה לנסח בשפה מתמטית את עקרונות הפעולה המוחיים המעורבים בלמידת תנועות וביצוען. המחקר כולל עבודה עם נבדקים וחיפוש אחר החוקיות המכתיבה את תנועותיהם, כשבמקביל נעשה ניסיון לאתר ולתעד את הפעילות החשמלית המתרחשת במוח בעת ביצוע התנועות. המטרה היא לפתח מודלים מתמטיים לניסוח החוקיות של תנועות אנושיות יום-יומיות.

אחת הדרכים לפתח מודלים כאלה היא לחפש תבניות תנועה שחוזרות על עצמן. "אפשר להסתכל על ביצוע של תנועות מורכבות בשתי דרכים עקרוניות", אומרת פלש. "ישנם חוקרים שסבורים שהמוח לומד את התנועות המורכבות בשלמותן, מאחסן אותן בזיכרון, ושולף את התנועה הנדרשת בשעת הצורך. אבל כיוון המחקר שלנו הוא אחר. אנחנו מניחים שישנו מאגר בסיסי של תנועות פשוטות שמהן המוח מרכיב את התנועות המסובכות יותר. כתיבה של האות ,a למשל, היא פעולה מורכבת שדורשת מהיד להניע את העיפרון לחלופין בקו ישר ובקו מעוגל. לפי ההנחה, המוח מתמודד עם האתגר על ידי כך שהוא בונה את התנועה המסובכת ממספר תנועות בסיסיות שמתבצעות ברצף".

התנועות הבסיסיות מכונות "אלמנטים של תנועה", ופלש מתארת אותן כאותיות של שפת התנועה של הגוף. כפי שהשפה שבפינו בנויה ממלים וחוקי דקדוק, כך התנועות שאנחנו מבצעים מתבססות על מספר מוגבל של מרכיבים תנועתיים פשוטים, וגם לשפת תנועת הגוף יש חוקים משלה. המוח מכיל "תוכנית פעולה" לשימוש באלמנטים התנועתיים, ובמשך החיים הוא משכלל את היכולות כדי לבנות פעולות שחלקן מסובכות מאוד כמו ריקוד, אכילה וכתיבה.

פלש ותלמידי המחקר שלה שואפים לבודד ולתאר "אלמנטים של תנועה" באמצעות מעקב אחרי אופן הביצוע של תנועה אחת על ידי קבוצה גדולה של נבדקים. הציוד המעבדתי מאפשר לעקוב אחרי פרמטרים שמשתנים על פני ציר הזמן כמו מהירות התנועה של הנבדק, תאוצת התנועה ועוצמתה. במחקר העוסק בלמידת תנועות, הנערך בשיתוף עם ד"ר אבי קרני ותלמידי המחקר רונן סוסניק ומריה קורמן, חלק מהנבדקים ביצעו את התנועות בשעה שהיו ספונים בתוך מכשיר הדמיה מוחית מסוג .f-MRI בשיטה זו "אפשר לאתר אזורים במוח שמשתתפים בלימוד אלמנט התנועה ובהוצאתו לפועל", אמרה פלש.

בהנחה שמאגר של מרכיבים תנועתיים בסיסיים אכן עומד לרשות המוח, איך בוחר האדם את הרכב התנועה הספציפית שהוא מבצע מתוך מספר עצום של שילובים אפשריים? פלש הציעה פתרון לשאלה זו כבר בתחילת שנות ה-,80 כאשר כתבה את עבודת הדוקטורט שלה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT).
במחקר שנערך בשיתוף עם פרופ' נוויל הוגן היא פיתחה נוסחה מתמטית המתארת אופטימיזציה של תנועות. "מודל האופטימיזציה קובע שהבחירה של המוח מאפשרת לאדם לבצע את התנועה החלקה ביותר במרחב", אומרת פלש. "בתנועה חלקה ישנה השתנות מינימלית של התאוצה עם הזמן, והמהירות היחסית של התנועה נשמרת לאורך כל התנועה. כאשר ביקשנו מנבדקים במעבדה לחזור על אותה תנועה אלפי פעמים, התנועה שלהם הלכה ונעשתה חלקה יותר ככל שהניסוי התקדם. הם חוו תהליך של למידה, ובסופו של דבר גם הגיעו לאופטימיזציה של התנועה התואמת את המודל שפיתחנו".

באמצעות המודל אפשר לנבא בדיוק רב את מרכיבי התנועות שהמוח בוחר לבצע. כך, למשל, כאשר נבדקים רושמים עקומה בצורה אופטימלית, היד שלהם מאטה ככל שהיא מתקרבת לשיא העקמומיות, ומעבר לשיא היא שוב הולכת וצוברת מהירות.

מודל האופטימיזציה התפרסם לראשונה בשנת 1985 בכתב העת Journal of, Neuroscience ומאז הוא פותח בהרחבה על ידי פלש וחוקרים רבים אחרים. נראה כי ניסוח מגוון של מודלים מתמטיים מסייע, בין היתר, לאפיין את השוני בין תנועה שמבצע אדם בריא לאותה תנועה המתבצעת על ידי אנשים שסובלים מהפרעות בפעילות המוטורית, כמו הלוקים במחלת הפרקינסון. "גם תחום הרובוטיקה מושפע מחקר מערכות התנועה של האדם", אומרת פלש, "מכיוון שתכנון מערכות התנועה של הרובוט יכול להתבסס על אותם חוקים 'אופטימליים' שמכתיבים את מנגנוני הפעולה של מוח האדם".

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

תגובה אחת

  1. המודל צריך להסביר גם מדוע התנועה ביד ימין אצל רוב האנשים היא יותר מדוייקת ונשלטת מאשר יד שמאל, למה שם אין אופטימיזציה?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן