לצלחת פטרי עם נוירונים מחברים שבב שמעביר את המידע מהם למחשב ולהפך. תמונת המסך היא של משחק המחשב פונ / צילום: צילומים: Cortical Labs דרך רויטרס, צילום מסך מיוטיוב ותמונות פרטיות
בשבוע האחרון הודיעו חוקרי מוח שהם הצליחו לראשונה ללמד אוסף נוירונים בצלחת פטרי לשחק במשחק מחשב פשוט - פונג. חובבי הרטרו אולי מכירים אותו. מדובר במעין משחק פינג פונג ממוחשב משנות ה־70 של המאה הקודמת. במשחק הזה, המחשב מגיש לשחקן כדור, והשחקן צריך להביא בחשבון שני נתונים: מהיכן מגיע הכדור והיכן הוא עצמו נמצא, וכך לנוע אל המקום שאליו צפוי הכדור להגיע. עבור מוח, מדובר בחישוב פשוט יחסית, אבל צלוחית נוירונים היא לא באמת מוח. עדיין.
● בשבוע הבא בגלובס: כל הרגולטורים הבכירים מגיעים לדבר על מצב המשק
המחקר, שנעשה על ידי חברת Cortical Labs (שמייצרת מוחות בצלוחית למחקר) וחוקרים מאוניברסיטת מונאש באוסטרליה, בשיתוף פעולה עם הרוק סטאר של מדעי המוח קרל פריסטון, התקבל בהתרגשות בקהילה המדעית. האם אנחנו בדרך ליצירת מוח סינתטי? אם תאי מוח (נוירונים) בצלוחית יכולים לקבל קלט מהסביבה, לבצע חישוב ולתרגם אותו ל"החלטה" כיצד לפעול, האם זה אומר שיש לנו בצלוחית מחשבה? באיזה שלב נוכל לומר שהמוח הזה בעצם חי או בעל הכרה מסוימת?
החוקרים במחקר הנוכחי טוענים שהמיני־מוח שלהם הוא Sentient, מונח קשה לתרגום, שכבר הספיק להצית מריבות טוויטר בין חוקרים. זאת לא בדיוק תודעה, וגם לא הכרה, אלא מעין יכולת חישה. החוקרים לא טענו שלצלוחית יש מודעות עצמית, אבל הם כן אמרו שהיא יכולה להפעיל חושים ולהגיב לסביבתה, כפי שעושים רוב בעלי החיים, חיידקים וצמחים.
בעוד שיש הסכמה רחבה על חשיבות הניסוי ואיכותו, ישנה גם הסכמה די רחבה שהטענה הזאת ל־Sentience של המערכת היא מוגזמת. החוקר המוביל, בן קאגן, אף הואשם שהשימוש שלו בביטוי הוא מניפולטיבי.
"כל מחשב בעולם יודע לקחת קלט ולהפוך אותו לפלט תוך כדי חישוב. האם זה אומר שהוא התקרב במשהו להיות חי?", אומר לגלובס פרופ' רונן שגב, מהמחלקה למדעי החיים באוניברסיטת בן גוריון בנגב.
בכל מקרה, מדובר בפריצת דרך. לראשונה ביצע צבר תאי מוח מה שנראה כמו למידה באמצעות פידבק. לראשונה, מדענים פענחו את השפה שבה יש לדבר אל תאי מוח בצלוחית כדי ללמד אותם לבצע חישוב חדש.
אם ניתן יהיה ללמד כך כמויות גדלות והולכות של תאים משימות יותר ויותר מורכבות, יתקרב היום שבו נצטרך לתת לתאים בצלוחית זכויות אדם כלשהן.
ההבדל בין מוח של דבורה למוח בצלוחית
ד"ר בן מעוז, מהמחלקה להנדסה ביורפואית ובית הספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, מתחיל במסר מרגיע. "מוח בגוף ונוירונים בצלחת אלה שני עולמות שונים", הוא אומר. "המוח הוא כל כך מורכב. יש בו עשרות סוגי תאי עצב ותאים נוספים שתומכים בתאי העצב, וכל תא מחווט לכל תא אחר באופן מדויק. לעומת זאת, כשמגדלים תאים בצלוחית, פשוט זורקים כמה תאים ונותנים להם להתחבר אלה לאלה, כמו לזרוק 'דוקים' על הרצפה. אנחנו לא שולטים באופן שבו הם נוגעים אלה באלה".
במחקר החדש היו אלה 800 אלף תאים בצלחת פטרי, "מספר תאים כמו במוח של דבורה", כפי שכתבו החוקרים, אבל לדברי מעוז, זה עדיין לא אומר שיש לנו בצלוחית מוח של דבורה. אין ספק שדבורה היא יצור שיכול לחוש וללמוד ואפילו לנהל חיי חברה. נוירונים בצלוחית ממש לא שם עדיין.
בכל זאת יש במחקר הזה התקדמות גדולה. עד היום, אומר מעוז, לא באמת ניתן היה לתקשר עם נוירונים בצלוחית כפי שמתקשרים עם מוח. "אפילו לא התייחסנו אליהם כאל מעגל חשמלי שיודע לבצע חישוב פשוט". ולא משום שלא נעשו ניסיונות בכיוון.
במחקרים קודמים, כמו במחקר הנוכחי, נזרעו תאים על גבי אלקטרודות, כך שנוצר קשר חשמלי בין יחידה חשמלית מלאכותית לבין יחידת הנוירונים. כך אפשר לתת לנוירונים פולסים חשמליים שגורמים להם "לירות", כלומר, הנוירון מעביר זרם חשמלי. "אבל", אומר מעוז, "אנחנו לא רוצים רק שהנוירונים יגיבו, אלא שהם יגיבו באופן לא רנדומלי".
אחת העבודות הראשונות בתחום הזה נעשתה על ידי פרופ' אלישע מוזס ממכון ויצמן, שהצליח לתת לנוירונים כיווניות. הוא הצליח לקשור בין הנוירונים כך שהאות החשמלי תמיד יפנה קדימה, מצד אחד של הצלוחית לצד האחר שלה, ולא באופן אקראי. זו נחשבה פריצת דרך משמעותית. "זה יוצר מבנים גיאומטריים שמתנהגים כמו רכיבים חשמליים", מסביר מעוז. "סוג של חוט חשמל מנוירונים".
טייסי קרב בצלוחית? לא בדיוק
לפני כעשור פורסם מחקר אחר שנחשב פורץ דרך ולפיו צלוחית נוירונים "הטיסה מטוס קרב". אם היינו טייסי קרב, היינו קצת נעלבים מההשוואה, משום שהמשימה שקיבלה צלוחית הנוירונים הייתה בסך הכול פשוטה: כאשר המטוס צלל בזווית בעייתית כלפי מטה, צלוחית הנוירונים קיבלה אות חשמלי על כך והייתה צריכה להפיק פקודה שתתקן זאת.
למעשה, צלוחית הנוירונים הגיעה למצב שבו בכל פעם שהיא מקבלת אות מסוים, היא מחזירה אות אחר, שלפי החלטת החוקרים היה "תקן זווית!". זו פריצת דרך משמעותית, בהתחשב בנטייה של נוירונים בצלוחית להגיב באופן רנדומלי לגירוי חשמלי, אבל מדובר רק בגירוי־תגובה. לא נעשתה פה פעולת חישוב.
מעוז מספר שבכל זאת זה היה מלהיב. "תארי לעצמך שזרקת מלא מנורות על הרצפה וכל אחת מהבהבת איך שבא לה, מבחינת התדירות, המשך ועוצמת ההבהוב, ופתאום את מצליחה להגיע למצב שבו בעקבות אות מסוים הן מהבהבות איכשהו בסנכרון, ותמיד באותה צורה". עם זאת, הוא אומר, המאמר הזה, שפורסם לפני כעשור, לא הוביל להתפרצות של מחקרי המשך.
שאלת המפתח: מהו חיזוק חיובי לנוירון?
אז איך התקדמנו למצב שבו המערכת לומדת בעצמה לבצע חישובים?
החוקרים שאפו ליצור רשת נוירונים לומדת, כמו האלגוריתמים הלומדים בעולם המחשוב, שנבנו מלכתחילה בהשראת המוח האנושי. כיום, כאשר נותנים גירוי למחשב שבנוי כרשת, והוא מחזיר תשובה רנדומלית, אפשר לתת לו "חיזוק" כאשר הוא פוגע במקרה בתשובה הנכונה. כך, לאט לאט, הקשרים שמובילים לתשובות הנכוחות מתחזקים, ואלה שמובילים לתשובות מוטעות נחלשים. כך, בהפשטה כמובן, פועלת הבינה המלאכותית.
החוקרים ניסו לעשות דבר דומה עם הנוירונים, לתת להם גירויים ולחזק תגובות נכונות שלהם במטרה ללמד אותם את המשחק, אלא שעד היום לא ידעו כיצד לתת את החיזוק הזה. איך נאמר לנוירונים "כן, הפעם הצלחתם. חזקו את התגובה הזאת!".
אחד הניסיונות הראשונים היה פשוט לשפוך דופמין על התאים ברגע שהם עושים את הדבר הנכון, מאחר שהוא נחשב לחומר שאחראי לחיזוק חיובי במוח. אלא שלטענת החוקרים, מי שנקטו בגישה הזאת כנראה לא הצליחו לתת את הדופמין בתזמון מדויק מספיק והנוירונים לא הצליחו ללמוד. או שדופמין לא יכול לפעול כמחזק חיובי ברמת התא הבודד, אלא חייב לפגוש מבנה במוח שמחכה לו, והוא זה שמנהל את החיזוק בדרך שעדיין לא ידועה לנו. זו גם אפשרות.
"נעשו גם ניסיונות רבים לתת לתאים פולסים חשמליים כדי לחזק אצלם דפוסי תגובה מסוימים", אומר מעוז. "השאלה היא איזה סוג של פולס חשמלי 'מפנק' את התא, ושאלת המפתח הזאת כנראה קיבלה מענה משמעותי ראשון במחקר הנוכחי".
החוקר הכי מפורסם שאי־אפשר להבין
אז איזה סוג של פולס חשמלי מפנק את התא? אחד החוקרים החתומים על מחקר ה־Pong הוא פרופ' קרל פריסטון מאוניברסיטת UCL, שידוע כאחד המצוטטים ביותר בתחום מדעי המוח, אבל גם כאחד שקשה מאוד להבין אותו. קוראיו נאלצים בדרך כלל להיעזר במגוון "פרשני פריסטון", שמתווכים את המחקרים שלו לקהל הרחב. העובדה שתיאוריה שלו כונתה, בעידודו, "התיאוריה של הכול", לצד חוסר המובנות האינהרנטי שלה, הובילו לכמה הרמות גבה ביחס אליו. לא מעט חוקרים נוהגים להזכיר שהציטוטים הרבים שזכה להם מקורם בעיקר במשוואות החשובות שכתב לתפעול מכשירי MRI ולא ב"תיאוריית הכול" שלו. חוקרים אחרים רואים בו את אחד הנוירולוגים החשובים החיים היום.
ככל שהצלחנו להבין מפרשני פריסטון, התיאוריה שלו, תיאוריית "האנרגיה החופשית", גורסת שמוחות תמיד יפעלו להפחית אי־ודאות. מוחות מקבלים כל הזמן בליל בלתי נסבל של גירויים חיצוניים, וכדי להתמודד איתם, הם צריכים להניח שבדרך כלל העולם ממשיך להתקיים כפי שהוא התקיים עד כה. למשל, המוח מניח שהכיסא המונח לפני עכשיו לא התחלף פתאום בחתול.
על בסיס ההנחה הזאת, המוח כל הזמן מבצע ניבויים לגבי העולם שהוא עומד לפגוש ובונה מודלים שלו, עם הסתברויות שונות להתרחשוית אפשריות (כיסא - סביר מאוד. חתול במקום כיסא - ממש לא סביר). כאשר המוח נתקל באירועים לא צפויים, הוא פועל בכמה דרכים כדי להפחית את האי־ודאות: מזניח גירויים שנראים לא מתאימים, מעדכן את המודל או פועל באופן שיחזיר את העולם להיות ודאי יותר.
עד כאן התיאוריה ברורה יחסית, אבל פריסטון גם כתב משוואות מתמטיות לתיאור האופן שבו מערכות שמבוססות על רשתות יכולות לבצע את עדכוני המודל האלה. המחקרים שלו הובילו ליצירת מערכות רובוטיות שלומדות בתהליך הזה, כלומר, תיאוריית עקרון האנרגיה החופשית התבררה כיעילה בתור אסטרטגיית למידה של רשתות. אבל זו עדיין לא הוכחה שכך אכן עובד המוח האנושי.
במחקר הנוכחי פריסטון ושותפיו ניבאו שהדרך הכי טובה "לפנק" את הנוירונים היא ודאות. לכן, כאשר הם הגיבו באופן נכון, ניתנו להם גירויים יציבים ומסודרים (פולס אחד קצר מכל האלקטרודות שבצלוחית). כאשר התגובה הייתה לא נכונה, נתנו להם גירויים רנדומליים בפרקי זמן ועוצמות משתנים. "הדרך היחידה להפחית את האי־ודאות הייתה לענות את התשובה הנכונה בתגובה לגירוי שלנו", אמר החוקר המוביל עם פרסום המחקר.
שגב אומר שלא הכול מובן בנוגע לאופן שבו ניתן הגירוי במחקר, ועם זאת הוא אומר שהניסוי בנוי היטב, עם קבוצות ביקורת של נוירונים שלא קיבלו גירוי או שקיבלו גירוי לא על פי הפרוטוקול שיצרה הקבוצה, ולא הצליחו לשחק במשחק. חוקרים נוספים ברחבי העולם מסכימים ש"הם הצליחו לעשות משהו שמדברים עליו 20-25 שנה, ופה זה נראה משכנע".
ובכל זאת, מזהיר מעוז: "אנחנו לא יודעים אם מה שקורה בצלחת הוא מה שקורה במוח".
אז בעצם זה חיזוק אמפירי לתיאוריה של פריסטון.
מעוז: "בהנחה שהתיאוריה שלו אכן אפשרה לו לנבא בהצלחה איזה פרוטוקול גירוי יהיה תגמול לנוירונים, אז בהחלט הוא פרץ פה דרך, ובאמת הבין משהו חדש ומשמעותי לגבי איך המוח האנושי עובד".
מחשב עם יכולות של מוח
למחקר יש גם משמעויות פרקטיות. אם ניתן יהיה להגדיל את רשת הנוירונים ולהמשיך ללמד אותה להתמודד עם משימות מורכבות יותר, היא תוכל להפוך לסוג חדש של מחשב. אולי למחשב הזה יהיו כמה מהיכולות של המוח האנושי, כמו עיבוד של המון פרטי מידע במקביל ועיבוד "פאזי", כלומר, שאינו מבוסס בהכרח על חישוב מדויק אלא על הערכות גסות, ובכל זאת מצליח להתקרב לתשובות נכונות.
"מוחות ומחשבים מעבדים מידע בצורות משלימות, והרעיון של רשת נוירונים ביולוגית לומדת פותח המון אפשרויות, והמון שאלות", אומר שגב. אבל, הוא אומר, אנחנו עדיין לא יודעים אם המערכת הזאת יכולה לעבור סקייל־אפ ולהפוך למחשב. "צריך להבין שהמערכת הזו היא לא מחשב כללי. היא מהונדסת למטרה מאוד ספציפית. זה לא שבנית כאן טרנזיסטור (יחידת חישוב של מחשב) ואם תשימי לידו עוד טרנזיסטור אז תכפילי בהכרח את יכולות החישוב שלה. אנחנו לגמרי לא יודעים אם זה עובד ככה".
הפוטנציאל של מוחות זעירים לפיתוח תרופות
בינתיים, באוניברסיטה העברית, פרופ' ערן משורר מייצר מוחות תלת־ממדיים בצנצנת. למוחות האלה יש לא רק מגוון של נוירונים הקשורים זה בזה, אלא הם לאט לאט מתחילים להסתדר מעצמם באופנים שמזכירים את המוח האנושי, אף שהם זעירים. גם זה רחוק מלהיות מוח, אומר משורר. אבל אם מחברים את המוח הזעיר לשריר זעיר, לפעמים המוח מפעיל את השריר.
משורר לא ניסה ללמד את המוחות שלו לבצע פעולות חישוביות, אבל הוא בהחלט בודק עליהם בטיחות ויעילות של תרופות, וגם מודלים של מחלה. לדוגמה, הוא מתכנן בימים אלה ליצור מוח תלת־ממדי זעיר מתאי עצב של חולים במחלה הגנטית הנטינגטון, במטרה להשוות אותו למוח זעיר בריא ולגלות מה שונה בנוירונים עצמם, בתקשורת ביניהם, במבנה המרחבי שהם יוצרים ובהשפעה של תרופות שונות עליהם.
משורר נלהב מהרעיון שמוח יוכל ללמוד, כי אם הוא יוכל לעשות זאת, הרי שאפשר יהיה לבדוק את ההבדלים בין דפוסי למידה בין מוחות זעירים בריאים לחולים, ואפשר יהיה לבדוק את ההשפעה של תנאים שונים ותרופות שונות על היכולת ללמוד או על היכולת לשכוח.
הנוירונים במוחות הזעירים שלך מתקשרים זה עם זה באופן שנראה די מסודר, קשה לשלול את האפשרות שמתקיים שם משהו לא רנדומלי.
"כן, אי אפשר לפסול את האפשרות שהנוירונים מתקשרים זה עם זה. אנחנו רואים שיש ביניהם סנכרון, ואם יש ביניהם סנכרון הרי שיש ביניהם תקשורת. עם זאת, אם אין לנוירון פלט של כאב, כי אין לו יד או רגל שתכאב, אז מה משמעות השאלה אם הוא מרגיש כאב? אבל בעתיד, אם נחבר אותו לשריר אולי הוא ירגיש כאב".
באילו נסיבות תאמר שהדבר הזה חי?
"הוא לא חי. אם אין לזה קשר לעולם, אין לזה קלט ואין לזה פלט, אז הוא לא יהיה חי אף פעם. אם יחברו אותו לעולם - כל האפשרויות פתוחות".
בכל זאת, יש בתרבות שלנו הייצוג הזה של מוח בתוך צנצנת שחי לו חיים מלאים ללא גוף. אפשר לדמיין אדם שאיבד את כל החושים שלו ואת כל יכולות התגובה שלו, והמוח שלו עדיין חושב.
"אבל אותו אדם חווה בעבר ופעל בעולם בעבר, וכך המוח שלו התפתח. צריך ללמוד משהו כדי שאפשר יהיה לשכוח. צריך לחוות משהו כדי שאפשר יהיה לכאוב".