פרופ' עידו קנטר / צילום: אוניברסיטת בר־אילן
מה היה קורה אם היינו מגלים שהגוף שלנו אינו מורכב כלל מתאים? איך היה נראה המחקר בכימיה אם היינו מגלים שבאטום אחד ייתכנו יותר מגרעין אחד, או תחום הספרות, אם היה מתברר שכל הספרים נועדו לקריאה גם מהסוף להתחלה? מהפכה בסדר הגודל הזה מנסה פרופ' עידו קנטר מאוניברסיטת בר-אילן לחולל בתחום הנוירולוגיה והמודלים החישוביים של פעילות המוח.
אם טענותיו של קנטור יתבררו כנכונות, יצטרכו לבצע מחדש חלק נכבד ממיפוי המוח, שהושקעו בו מאמצים אדירים. לא רק זאת, גם יתברר שהרשתות הלומדות, שלכאורה מודלו על פי המוח האנושי, עושות משהו אחר לגמרי ממה שחשבנו.
חישוב מורכב
נוירונים בנויים כמו עץ - יש להם הרבה שורשים (דנדריטים), שבאמצעותם הם מקבלים גירויים מהסביבה, וגזע אחד (אקסון) שדרכו המסרים עוברים ל"צמרת". הצמרת מתפצלת גם היא לזרועות רבות, אם כי לא רבות כמו השורשים. עד היום היה נהוג לחשוב שהנוירון מקבל מסרים חשמליים מכל הזרועות, סוכם את כל הסימנים בתוך הגזע, ורק אם סך כל הסימנים עובר רף מסוים, הנוירון "יורה" ומעביר את המסר לתאים הבאים אחרים. "כך חשבו מתחילת המאה ה-20, וכל המודלים של המוח נבנו על בסיס הנחת היסוד הזאת", אומר קנטר. הממצאים שלו הם אחרים.
הטענה המרכזית שקנטר מפריך היא שנוירון הוא בינארי. לדבריו, הנוירון מבצע חישוב הרבה יותר משוכלל מאשר סכימה חשבונאית של הפוטנציאלים. יש חשיבות מבחינתו אם המסר מגיע מימין או משמאל ומהי עוצמתו. כדי להסביר את ההבדל הקריטי בין התפיסות הוא משווה את הנוירון לטרנזיסטור של מחשב. טרנזיסטור, נוסף על היותו שמו של רדיו עתיק, הוא גם השם של כל יחידת חישוב במחשב. "כל יחידה כזאת היא אלמנט חשמלי שמגיבה תמיד לאותו אינפוט באותו אופן ובמשך אותו זמן. כל הטרנזיסטורים יכולים להיות כבויים או דלוקים, וכל הטרנזיסטורים באותו שבב נראים אותו דבר כשהם דלוקים. כך הם כולם מסונכרנים".
מתברר שבמוח הסנכרון הזה לא קיים. "לפעמים התאים מגיבים לאט, לפעמים ממש מהר ולפעמים ממש לאט", אומר קנטר. "איך אפשר לבנות מדינה אם האלמנטים לא אמינים ואינם מגיבים תמיד באותו אופן לאותו גירוי? זו השאלה העיקרית שהעלינו, ומצאנו שמה שנראה בהתחלה כבעיה הוא בעצם יתרון. האופן שבו אנחנו קולטים מידע בתוך כל תא הוא הרבה יותר מורכב מכפי שחשבנו".
תגלית נוספת היא שלתא יש כלי נוסף שבעזרתו הוא יכול להגיב לגירויים שונים באופנים שונים - התדר של הפולס החשמלי שעובר דרכו. עד היום, היה מקובל לחשוב שלסוגי תאים שונים יש תדרים שונים, אבל לכל תא יש רק תדר אחד ויחיד. שוב, בדומה לטרנזיסטור שיכול להיות כבוי או דלוק. לדברי קנטר, הוא וחברי הצוות שלו גילו כי תאים דומים יכולים להגיב בתדרים שונים, ואפילו כל תא יכול להגיב ביותר מתדר אחד.
כלומר, בניגוד למודל הקודם שבו הנוירון סוכם גירויים ו"יורה" ירייה מסוג אחד אם הם עוברים רף מסוים, במודל החדש, הנוירון מקבל פלאטה רחבה ומגוונת של גירויים, ומגיב במגוון תגובות.
קנטר: "נניח שאני עומד וכמה אנשים נוגעים בגב שלי. בגישה הקלאסית, אני סופר כמה אצבעות נוגעות בגבי, ואם יש עשר נגיעות, אני מחליט אם להרים ידיים. במודל החדש, אני בוחן אם יש 10 נגיעות מצד שמאל או 10 נגיעות מצד ימין, ואז אני מרים ידיים. אם יש 5 מכל צד, אני לא מרים, אף שהסכום הוא 10. ויש לי גם אפשרות להחליט אם להרים את יד ימין בלבד, או את יד שמאל בלבד, או את שתיהן, ואולי להרים רק עד חצי הגובה. האפשרויות מגוונות".
אף אחד לא בדק
מהאנלוגיה הזאת ניתן להבין שנוירון יחיד מסוגל להעביר הרבה יותר מידע מכפי שחשבנו שהוא מסוגל עד כה. לכן המודל של המוח האנושי, המכיל כנראה כ-100 מיליון נוירונים, הוא אפילו מורכב יותר מכפי שיכולנו לדמיין.
מעבר לכך, אם עד היום חוקרים העריכו שניתן לזהות איזה סוג תא "יורה", לפי התדר שלו, במודל של קטנר, לכל תא יכולים להיות כמה תדרים. מסובך, כבר אמרנו? "הרעיון הזה של תא אחד, תדר אחד, מנחה את הבנייה של מכשירי המדידה בנוירולוגיה כבר 60-70 שנה, כולל אלה שבהם משתמשים הקולגות שלי בקומה הזאת".
מדוע לא עלו על זה במשך השנים? נשמע שזה דבר שאפשר לראות בבירור כשעושים ניסוי על נוירון. הוא גדול מספיק כדי לראותו במיקרוסקופ.
"אני מאמין שמאחר שהנחת היסוד העמוקה הייתה שנוירונים מגיבים תוך סכימה של פוטנציאלים וכל אחד מהם מגיב רק בתדר אחד, אף אחד פשוט לא בדק משהו אחר. היה פשוט נוח יותר לגרות תמיד מכיוון אחד, ולהניח שגירוי מכיוון אחר יניב אותה תוצאה. זה לא פשוט לגרות מכמה כיוונים שונים בזמנים שונים. זה דורש מחשבה ודיוק, אבל זה אפשרי. בהחלט ייתכן שמישהו עשה את זה בעבר והחליט שהניסוי פשוט לא עובד וזרק אותו. זה מה שקורה בתחום מחקר הנוירונים. בתחום הביולוגיה הקלאסית אנחנו מתחילים לשמוע מכמה חוקרים שהממצאים שלנו תואמים דברים שגם הם ראו".
איך הגעתם בכלל לרעיון הזה?
"זיהינו שבירה של הסימטרייה בתא. ראינו שהזרועות (השורשים של העץ הנוירוני) אינן סימטריות בפעילותן - חלק מעבירות 10 סיגנלים בשנייה ואחרות מעבירות חמישה סיגנלים בשנייה. בפיזיקה, הנושא של שבירת סימטרייה הוא מאוד חשוב, ולכן ייתכן שכפיזיקאים היינו יותר רגישים לזה. כאשר אטום מכיל אותם רכיבים אבל בסידור אחר, הוא יכול להיות בעל תכונות אחרות, שונות באופן דרסטי. למשל, אם יש לנו קרח, המולקולות יכולות לעמוד זו מול זו רק ב-90 מעלות ואילו במים, הן יכולות להיות זו מול זו בכל זווית. אלה מצבים שונים לגמרי. פיזיקאים רגילים לחשוב על כיווניות, ולכן היה לי ברור שאם אני בודק מה קורה מצד אחד, אני חייב לבדוק מה קורה מהצד השני, אף שהיה לי ברור שאמצא סימטרייה כמו שמצאתי בספרים. הופתעתי מאוד כשלא מצאתי אותה".
מה אמרו בקהילה המדעית על הגילוי שלך? אמות הספים רעדו?
"עדיין לא, כנראה משום שהממצאים עדיין אינם ידועים כל כך.
"לשם ההגינות, יש לציין שבינתיים מצאנו את התופעה הזאת רק בתרביות תאים, והיו ביקורות שזה קרה רק בסוג מסוים של תאים, ועלינו לאמת אותן גם בתאים אחרים וגם בחיות, ואנחנו בהחלט מתכוונים לעשות זאת. מבחינתי, אם שניים שלושה אחוזים מהמשאבים במדעי המוח יופנו לבדוק אם הנחות היסוד אכן נכונות - דיינו".
הם פורסמו בכתב העת Scientific Report, השייך לכתב העת Nature, ואפילו הייתה כתבה ב-Newsweek, אך קהילת מדעני המוח בוחרת שלא להגיב אליהם. זה אנושי להתעלם ממשהו שמחייב אותך לשנות כיוון לגמרי, אבל אני חושב שהם חייבים להגיב - או לקבל את הגישה שלנו או לתקוף ולסתור. אני לא מבין את התגובה של חלק מהמדענים שפניתי אליהם ואמרו, 'כן, זו תוצאה מהפכנית', אבל לא הרגישו צורך לשנות דבר בצורת העבודה שלהם. היו גם ביקורות על הניסוי עצמו, אבל מעטות.
מה הן ההשלכות הפרקטיות של השינוי הזה בגישה לנוירונים?
"אני אומר בזהירות שזה יכול להשפיע על הטיפול במחלות. למשל, אם נמצא שהנוירון הפסיק להגיב למידע שמגיע אליו מצד ימין, אולי הוא עדיין מגיב מצד שמאל? זה פותח פתח לשאלות רפואיות שטרם נשאלו".
האם ייתכן שמשמעות הגילוי היא גם שמחשבים הרבה פחות קרובים משחשבנו ליכולת לפתח מחשבה כמו של בני אדם?
"כן, יש לנו עוד הרבה מה לשפר בתחום למידת המכונה".
נוירולוגים: "המחקר לא מחדש הרבה"
פרופ' עידו קנטר משמיע שתי טענות קשות כלפי נוירולוגים - האחת היא שהם טעו לגמרי במידול הנוירון והאחרת היא שהם מתעלמים מממצאיו. ביקשנו מכמה נוירולוגים לקרוא את הדברים ולהגיב, ואלה העדיפו להגיב ללא אזכור שמם מאחר שלא מדובר בביקורת עמיתים מסודרת על המאמר לפרטיו, אלא בהתרשמות ראשונית.
טענת הנגד העיקרית היא שהדברים שקנטר אומר היו ידועים במידת מה גם בעבר. אמנם בספרי הלימוד נאמר שכל סוג של נוירון יורה תדר אחד ויחיד, וגם מגיב לסכום הגרויים עליו ללא הבדל מהיכן הם מגיעים, אולם במחקר החדש והמתקדם יותר ישנה הערכה כי נוירונים יכולים לירות בצורות שונות, וגם כי התא יודע להבדין בין שני סוגים של דנדריטים (הנקראים דנדריטים בזאליים ודנדריטים אפיקליים). עם זא, החוקרים החליטו להתעלם מהשפעות אלה בחלק מהמאמרים ובחלק מהמודלים הממוחשבים, לשם פישוט. "ישנם מחקרים נוספים שהולכים נגד הקונצנזוס, אולם אין ברירה אלא להניח הנחות יסוד, ולייצר איזו תמונה קוהרנטית גם אם לא מדויקת במאת האחוזים, כי אחרת אי אפשר להתקדם", הסביר לנו אחר החוקרים.
באתר ביקורות על מאמרים מדעיים (על ידי מדענים) בשם Pubpeer נכתב על המחקר כי "מלבד להפריך את הגישה הפשטנית של פעילות הנוירון, המאמר לא מרחיב הרבה. הם טוענים כי המצב מורכב מכפי שחשבנו, אך אינם מסבירים בצורה מדויקת מספיק מהו המודל החלופי, אלא משאירים זאת למחקר עתידי".
"חוקרי פיזיקה וחוקרי מוח הם כמו קרח ומים"
פרופ' עידו קנטר היה ילד פלא ואחר כך נער פלא, שהשלים תואר ראשון בגיל 19 והפך לפרופסור לפיזיקה בגיל 32. את הדוקטורט שלו כתב על מגנטים שלא כל האטומים שבהם הם בעלי ספין (תנע פנימי) לאותו כיוון - תיאוריה פיזיקלית שיושמה בתחומי הכימיה והביולוגיה. אחרי עשרות שנים בתחום הפיזיקה, הוא החליט ליישם את הידע שלו בחקר התודעה. במקביל, עבר מתחום הפיזיקה החישובית לביולוגיה "רטובה", כלומר ממדען שכלי העבודה העיקרי שלו הוא מחברת או מחשב, הוא הפך לחוקר במעבדה. לא מעט פיזיקאים בעלי חשיבות עשו את המעבר הזה. אחד מהם הוא זוכה פרס נובל פרופ' ריצ'רד פיינמן. קנטר עשה את המעבר הסופי רק לפני כחמש שנים.
המחשבה שעומדת מאחורי המעבר הזה היא שאם פיזיקה היא המחקר של היסודות הבסיסיים ביותר של העולם, הרי שמחקר הבסיס הזה יכול להוביל לתובנות מעניינות גם כאשר הוא נעשה בגוף האדם או במוח. בתחום של חקר התודעה, קצת סקפטיים לגבי המעברים הללו וטוענים שכלי העבודה של פיזיקאים הם רדוקציוניסטיים מדי. אולם התגלית של קנטר, אם אכן תאומת, היא תגלית שלגמרי מתאימה לגבולות הגזרה של הפיזיקה - הוא בחן איך החשמל עובר בתא ממקום למקום.
"עוד לפני שעשיתי את הקפיצה לתחום חקר המוח, עסקתי במודלים ממוחשבים של למידת מכונה וחישוביות עצבית, והרגשתי שמשהו חסר בהבנה של המוח. למרות שהיו פריצות דרך עצומות בלמידת מכונה, חקר המוח עצמו לא ממש התקדם, ולראיה, חברות פיתוח תרופות רבות ויתרו על התחום הזה ומתמקדות רק בנישות קטנות בתוכו. הרגשתי שיש איזה שהוא נתק בין התחומים של הרשתות הממוחשבות הלומדות לבין המוח האמיתי, שיש טעות כלשהי באופן שבו אנחנו מייצגים את המוח".
קנטר הוא כיום הפיזיקאי היחיד במחלקה לחקר המוח באוניברסיטת בר-אילן. "אני עובד עם מכשירים שמעולם לא עבדתי עליהם", הוא נשמע מתפלא. כעת הוא יוכל לבחון את השאלה אם חוקרים מבוגרים מתקשים יותר להגיע לתגליות פורצות דרך משום שהם מבוגרים או משום שהם מקובעים מדי בתפיסות של תחומם.
אחד החוקרים שעובד עם קנטר, ומי שחתום יחד איתו על רבים מהמאמרים בתחום הנוירולוגיה, כולל המאמר שמבשר על המהפכה, הוא אמיר גודנטל, חוקר שהחל ללמוד בגיל 15 באוניברסיטה, והיום, בגיל 21, עומד לסיים דוקטורט. בין השניים נוצר קשר מיוחד, אם כי קנטר ממהר לומר שכל חברי המעבדה שלו (על המאמר חתומים גם שירה שרדי וד"ר רוני ורדי) הם צעירים נלהבים שמעוניינים לעשות פריצת דרך.
"אני מקבל הרבה השראה מהצעירים אצלנו. למשל אמיר, כשהיה בן 15 בלבד, שאל את אחד החוקרים, 'מה השאלה העיקרית שאתם חוקרים', והוא אמר 'איך עובד המוח', ואמיר אמר, 'אבל מה הבעיה שאתם ספציפית חוקרים?'. הוא התכוון לכך שכמו שבפיזיקה אנחנו שואלים שאלות כגון מה משקל האטום, מה משקל האלקטרון, גם כאן יש שאלה יותר ספציפית מ'איך עובד העולם' או 'איך עובד הגוף'. השאלה היפה שלו נשאלה שלוש פעמים ונותרה תלויה באוויר".
חוקרי מוח ופיזיקאים הם לא הכי דומים.
"כמו מים וקרח".
ואיך אתה היית מגדיר את הבעיה שאתם חוקרים?
"איך נוירונים מעבירים מידע".