תקווה חדשה לנפגעי מוח: חוקרים מישראל ואירופה יצרו חולדת סייבורג

האם מתקרב היום בו יוכלו סובלים מנזק מוטורי להשתקם באמצעות שבב שיושתל במוחם?  קבוצה של 8 חוקרים בכירים מאוניברסיטת ת"א ומאירופה יצרו שבב שמחליף חלק קטן מ"המוח הקטן" אצל חולדות - החלק שאחראי על למידה ותזמון התנועות המוטוריות. בכך הם יצרו למעשה "חולדת סייבורג" - יצור כלאיים ביולוגי-אלקטרוני.

הצלחת החוקרים מהווה בשורה טובה לסובלים משיתוק בחלק קטן מגופו כתוצאה מנזק מוחי. המחקר נוהל על ידי פרופ' מתי מינץ מהחוג לפסיכולוגיה בפקולטה למדעי החברה באוניברסיטת תל-אביב חברו לו פרופ' יוסי שחם, סגן דיקן הפקולטה להנדסה, פרופ' חגית מסר ירון, מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב ונשיאת האוניברסיטה הפתוחה, וד"ר מירה מרקוס-קליש מהמרכז הבינתחומי.

פרופ' מינץ הציג לאחרונה את תוצאות המחקר בכנס של אגודת SENS העוסקת באיכות ובהארכת חיים, שהתקיים בקיימברידג' בבריטניה. הארבעה, ועמם 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.

בתחילה שיתקו החוקרים רשת ספציפית במוחה של החולדה. לאחר מכן הם החליפו את הרשת בשבב האחראי 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.

תפקיד החוקרים הישראלים

פרופ' שחם פיתח את החיישנים המאפשרים לקלוט מידע על פעילות העצבית בכניסה לרשת העצבית ששותקה; פרופ' מסר-ירון פיתחה אלגוריתמים שאפשרו סינון בזמן אמת של הסיגנלים הרלוונטיים והדגימה 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 הרעיון להחליף רשת עצבית בשבב?

פרופ' מינץ אומר כי החוקרים למדו 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 שהארכיטקטורה שלה ידועה ברובה והפעילות שלה מובנת במידה מסוימת. שילבנו את הסימולציה בשבב אלקטרוני וחיברנו את השבב לכניסות ויציאות של הרשת הביולוגית משותקת".

המידע על האירועים הסנסורים שהופק על ידי אלגוריתמים של פרופ' מסר-ירון הופנה לסימולציה של רשת עצבית המדמה את המוח הקטן שפותחה על ידי פרופ' פאול וורשור מברצלונה. "הסימולציה הממוחשבת עושה את אותו התפקיד כמו הרשת הביולוגית המשותקת, כי בנינו אותה במובנים רבים כהעתק של הרשת הביולוגית", אומר ד"ר מינץ.

ד"ר 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 היבריד – מוח ביולוגי המחובר במעגל סגור לתוכנה ובהמשך לשבב אלקטרוני המכיל את כל המרכיבים.

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.
על מנת לבדוק את שיחזור ההתנהגות של המוח ההיברדי של החולדה, נאספו סטודנטים של כל השותפים במעבדה של פרופ' מינץ. הם שיתקו את הרשת העצבית במוח הקטן ובדקו היעלמות של תגובת המיצמוץ לאירוע מתריע. כמו כן הם 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", אומר מינץ.

מה הבשורה לאנשים משותקים?

מינץ: "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 מכספי התוכנית השביעית למו"פ של האיחוד האירופי.