חוקרים באוניברסיטת ת"א יצרו חולדה שחלק קטן ממוחה הוחלף בשבב

המעגל העצבי שהוחלף אחראי על למידה ובקרה של תנועת עצימת העיניים כתגובה  לגירוי סנסורי המתריע על פגיעה אפשרית בעיניים. ישום שיטות אלו יאפשר בעתיד לאושש שליטה בתנועות מוטורית פשוטות אצל אנשים שנפגעו  באיזור קטן של המוח

בשורה למי שסובל משיתוק בחלק קטן מגופו כתוצאה מנזק מוחי. קבוצה של ארבעה חוקרים בכירים מאוניברסיטת תל-אביב וארבעה חוקרים אירופאיים וקבוצות הסטודנטים שלהם, מדיסציפלינות מדעיות שונות, חברו יחדיו לפתח שבב שהחליף חלק קטן מהאיבר המכונה "המוח הקטן" בחולדה – אותו חלק במוח האחראי על למידה ותיזמון של הפקת תנועה מוטורית. בכך הם יצרו למעשה חולדת סייבורג – יצור כלאיים ביולוגי-אלקטרוני.
המחקר נוהל על ידי פרופ' מתי מינץ מהחוג לפסיכולוגיה בפקולטה למדעי החברה באוניברסיטת תל-אביב, וחברו לו פרופ' יוסי שחם, סגן דיקן הפקולטה להנדסה, פרופ' חגית מסר ירון, אף היא מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב ונשיאת האוניברסיטה הפתוחה, וד"ר מירה מרקוס-קליש מהמרכז הבינתחומי לניתוח ותחזית טכנולוגית ליד אוניברסיטת תל-אביב.
פרופ' מינץ הציג לאחרונה את תוצאות המחקר רב השנים בכנס של אגודת SENS העוסקת באיכות ובהארכת חיים, שהתקיים בקיימברידג'  בבריטניה בו זכה להתעניינות רבה.

הארבעה, ועימם גם חוקרים מאוסטריה, איטליה וספרד החליפו במוחה של חולדה את אחת הרשתות העיצביות במוח הקטן – החלק במוח האחראי על בקרת התנועות המוטוריות העדינות, בשבב המכיל טכנולוגיות שפותחו על ידי החוקרים השותפים בפרויקט. הרשת הספציפית שאותה שיתקו במוחה של החולדה והחליפו תחילה בסימולציה ממוחשבת ואחר כך גם בשבב המכיל את הסימולציה, אחראי על למידה ותזמון של תנועת המצמוץ המתבצעת כתגובה לגירוי סנסורי המתריע על פגיעה אפשרית בגלגל העין; למשל שריקה המתריעה על מעוף של אבן לכיוון הפנים.

"פרופ' שחם פיתח את החיישנים המאפשרים לקלוט מידע על פעילות העצבית בכניסה לרשת העצבית ששותקה ולהחזיר מידע בצורה של זרם חשמלי ליציאות של הרשת העצבית ששותקה – כלומר לחבר את השבב לכניסות והיציאות של הרשת המשותקת. האותות שנקלטו בכניסות לרשת המשותקת כוללים את הסיגנלים על האירועים הסנסורים בסביבתה של החיה אך גם רעש לא רלוונטי ממקורות רבים אחרים. פרופ' מסר-ירון פיתחה אלגוריתמים שאפשרו סינון בזמן אמת של הסיגנלים הרלוונטיים מהרעש העצום ובכך הדגימה את האופן בו הרשת העצבית של המוח הקטן מקבלת אינפורמציה על אירועים סנסוריים בסביבת החיה. במילים אחרות, השבב קיבל אינפורמציה על האירועים הסנסורים על ידי ניתוח אלגוריתמי של הקלט מהכניסות לרשת המשותקת. ד"ר מרקוס-קאליש הייתה אחראית על ניתוח האותות והדגימה איך אזורי מוח גבוהים משפרים את בולטות הסיגנלים הסנסוריים תוך כדי הלמידה.

איך נולד הראיון של החלפת רשת עצבית בשבב?

מסביר פרופ' מינץ: למדנו במהלך ההיסטוריה של מדעי העצב לרשום פעילות מוחית, אנחנו גם יודעים לגרות רשתות שונות של המוח על מנת להפעיל את התאים ולהפיק התנהגות. מה שהיה חסר עד לאחרונה היה מידע מפורט על החיבורים בין התאים בתוך הרשתות העצביות ושינויים בחיבורים אלו במהלך למידה. מגבלות אלו תקפות לכל המוח אך במידה קטנה יותר לגבי המוח הקטן שמאופיין באנטומיה פשוטה יחסית והתנהגות מובחנת שניתן למדוד בדיוק רב. גם היה חסר כוח חישובי הדרוש על מנת לקלוט ולנתח בזמן אמת את הפעילות העצבית ממערך רב ערוצי של סנסורים. כוח חישובי עדיין מהווה מגבלה לגבי בניית סימולציות של רשתות מוחיות גדולות אך בהחלט מאפשר סימולציה של רשתות קטנות. וכך קרם עור הרעיון לבנות סימולציה ממוחשבת של רשת עצבית שארכיטקטורה שלה ידועה ברובה והפעילות שלה מובנת במידה מסוימת, לעגון את הסימולציה בשבב אלקטרוני ולחבר את השבב לכניסות ויציאות של רשת ביולוגית משותקת."

ואכן המידע על האירועים הסנסורים שמופק על ידי אלגוריתמים של פרופ' מסר-ירון הופנה לסימולציה של רשת עצבית המדמה את המוח הקטן שפותחה על ידי פרופ' פאול וורשור מברצלונה. הסימולציה נבנתה תוך חיקוי מרבי של החיבורים העצביים במוח הביולוגי ואכן בדיקות שארכו שנים העידו על אמינות פעילות הסימולציה. זו נקודה חשובה, "הסימולציה הממוחשבת עושה את אותו התפקיד כמו הרשת הביולוגית המשותקת, כי בנינו אותה במובנים רבים כהעתק של הרשת הביולוגית." אומר ד"ר מינץ.

דר' כריסטופ גוגר מגרץ שבאוסטריה ביצע אינטגרציה של כל הטכנולוגיות, סנסורים שהושתלו במוח החיה, מגברים אלקטרו-פיזיולוגיים, אלגוריתמים לגילוי הסיגנלים והסימולציה של הרשת העצבית ובכך אפשר יצירה של הבריד – מוח ביולוגי המחובר במעגל סגור לתוכנה ובהמשך לשבב אלקטרוני המכיל את כל המרכיבים הנ"ל. השבב פותח על ידי פרופ' פאולו דל גיודיצה מרומא ואחרי מזעורו יאפשר בעתיד לחיה תנועה חופשית לגמרי ללא קשר למחשבים – היא תישא את המחשב על גלגלתה. "כעת יש לרשת המשותקת מעגל מקביל המדמה את פעילותה ומאפשר שיחזור של פעילות מוטורית נורמאלית".

"המערכת עובדת כמו הרשת הפגועה, מקבלת אינפורמציה מהכניסות לרשת הפגועה ומחזירה את האינפורמציה ליציאות של הרשת הפגועה. ניתן לראות את המערכת כמעין מעקף על רשת מוחית קטנה. על מנת לבדוק את שיחזור ההתנהגות של ההיבריד, נאספו סטודנטים של כל השותפים במעבדה של פרופ' מינץ. הם שיתקו את הרשת העצבית במוח הקטן ובדקו העלמות של תגובת המיצמוץ לאירוע מתריע. חיברו את כל הטכנולוגיות למוח החיה והדגימו למידה בתוכנת הסימולציה ובשבב וכן שיחזור של התנהגות המוטורית.  "ההבריד הפיק התנהגות מאוד דומה להתנהגות שהפיקה המערכת הביולוגית."

מה הבשורה לאנשים משותקים?
אנחנו לא מתיימרים להחליף רשתות גדולות במוח כגון הקורטקס המוטורי, זה לא בקנה המידה בו אנו עוסקים. אבל יש סיכוי שבתוך שנים מעטות ניתן יהיה להשתיל שבב שיטפל בבעיות עקב פגיעה ברשתות קטנות במוח, ובלבד שאנו מכירים את הארכיטקטורה האנטומית שלהן כדי שנוכל להעתיק אותן לתוכנה.

המחקר, שלדברי מינץ החל לאחר שקרא את ספרו של ריי קורצווייל "עידן המכונות החושבות" משנת 1992, מעניין מאוד את הקבוצות הפועלות בהשראתו של קורצווייל ומנסות למצוא דרכים לחבר מוח ומכונה כדי להאריך ולשפר את החיים. הפרויקט מומן בעבר ממלגת Converging Technology של הקרן הלאומית הישראלית למדעים, מאגודה ישראלית בשם Complexity Science וכיום הוא ממומן מספי התוכנית השביעית למו"פ של האיחוד האירופי.