מאות אלפי תאי עצב על גבי מצע אלקטרודות המחוברות למחשב המריץ את המשחק הקלאסי, הצליחו ללמוד לחסום את הכדור באמצעות מחבט וירטואלי

המוח האנושי מכיל בממוצע כ-100 מיליארד תאי עצב ותאי תמיכה נוספים שאינם עצביים, אשר מגנים על תאי העצב ושומרים על יציבותם. תא עצב יכול לקבל גירויים חשמליים מתאי עצב שכנים, הנקלטים באזור בתא הנקרא "דֶּנְדְּרִיט", ולשלוח הלאה בתגובה אותות חשמליים מקצהו השני הנקרא "אַקְסוֹן". נקודת התקשורת בין אקסון לדנדריט מכונה "סִינַפְּסָה". כל תא עצב יכול להיות מחובר לכ-10,000 תאי עצב אחרים, המעבירים ביניהם אותות חשמליים באמצעות כ-1000 טריליון סינפסות.

הקשרים הנוצרים בין תאי העצב אינם קבועים, אלא משתנים עם הזמן. הסינפסות גמישות ויכולות לשנות את עוצמתן בהתאם לפעילות העצבית – כך סינפסות פעילות נוטות להתחזק וסינפסות שקטות נחלשות, וקשרים בין תאי עצב מתחזקים או מתנוונים בהתאם לגירויים המשתנים עם הזמן. תהליך זה הוא הבסיס ליכולתו המופלאה של המוח למסור ולעבד מידע, ללמוד ולייצר זיכרונות [1].

מהכתוב לעיל אפשר להבין מדוע רשתות תאי עצב ביולוגיות נותנות השראה לפיתוח מודלים מתמטיים שונים, כדוגמת רשתות עצביות מלאכותיות הלומדות לפתור בעיות על-ידי חיקוי תהליך הלמידה במוח האנושי (כתבנו על כך בעבר, [2]). האם אפשר ללמד תאי עצב אמיתיים לפתור בעיות לבחירתנו, בדומה למודלים המתמטיים האלו? קבוצת מחקר מיוניברסיטי קולג' לונדון בשיתוף פעולה עם Cortical labs פרסמו לאחרונה שתאי עצב שגדלו בתנאי מעבדה על-גבי פלטפורמה מיוחדת, הצליחו ללמוד "לשחק" במשחק הווידאו הקלאסי של חברת אטארי משנות השבעים, "פונג": השחקנים במשחק שולטים במחבטים קטנים הנעים מעלה ומטה במטרה לפגוע בכדור הנע על המסך מצד לצד [3].

קבוצת המחקר השתמשה בפלטפורמה אשר פעם אחת כללה אלפי אלקטרודות, ועל-גביהן גודלו באופן מבוקר מאות אלפי תאי עצב שהופקו מתאי גזע אנושיים, ובפעם אחרת גודלו בה תאים עובריים של מכרסמים. תאי העצב שגודלו בפלטפורמה הצמיחו שלוחות ענפות של דנדריטים ואקסונים, ויצרו קשרים סבוכים ומרובים זה עם זה. האלקטרודות אפשרו מעקב רציף אחר הפעילות החשמלית של תאי העצב, ומתן גירויים עדינים ומדויקים המדמים אותות חשמליים ביולוגיים, בהתאם למדדים שקבעה קבוצת המחקר.

הפלטפורמה חולקה פיזית לאזור "תחושתי", שבו קיבלו תאי העצב גירויים עדינים המקודדים טופוגרפית את מיקומו של הכדור במרחב מסך המחשב, ולשני אזורים "תנועתיים", שבהם הזיזה פעילותם של תאי העצב את המחבט מטה או מעלה במשחק. אם הפעילות המקרית של תאי העצב באזורים התנועתיים הצליחה להזיז את המחבט כך שהוא פגע בהצלחה בכדור, תאי העצב קיבלו גירויי חשמלי "צפוי": קבוע בעוצמתו, בתדירותו ובמיקומו על-גבי הפלטפורמה, כמעין משוב להצלחה במשימה. אם המחבט לא הצליח לחסום את הכדור, קיבלו תאי העצב גירוי חשמלי "בלתי צפוי": משתנה בעוצמתו ובמיקומו, כמעין "עונש" על הפספוס.

הרעיון מאחורי בחירת המשוב כגירוי חשמלי "צפוי" או "בלתי צפוי" לקוח מתאוריה מתמטית שקבוצת המחקר אימצה, הנקראת "עקרון האנרגיה החופשית" (Free energy principle) [4]. על פי העיקרון, מערכת מבודדת הנמצאת בשיווי משקל עם סביבתה פועלת כדי למזער את "האנרגיה החופשית" שלה ולהימנע מהנטייה הטבעית לאי-סדר. במקרה שלנו ולפי פרשנות קבוצת המחקר, תאי העצב "מעדיפים" לאמץ דפוס פעילות עצבי שמאפשר להם להימנע מגירוי חיצוני בלתי צפוי. לפי השערת המחקר, הימנעות זאת היא המוטיבציה של תאי העצב ללמוד לפעול באופן שיאפשר למחבט לפגוע בכדור.

ואכן, גם תאי העצב שהופקו מתאי גזע אנושיים וגם תאי העצב שהופקו מתאים עובריים של מכרסמים למדו לפעול כך שהמחבט יפגע בכדור, ולראייה משכי המשחק הלכו והתארכו בהדרגה עם הזמן. תאי העצב אומנם לא הגיעו לרמת מקצועיות מרשימה, אך הצליחו במובהק יותר מקבוצות הביקורת שכללו, בין היתר: ניסוי שבו קיבלו תאי העצב גירויים המקודדים את מיקומו של הכדור אך ללא משוב, ניסוי שכלל פלטפורמה ללא תאי עצב, ניסוי שבו המחבט נשלט על-ידי האזורים התנועתיים אך ללא גירוי האזור התחושתי וניסוי שבו המחבט נשלט על-ידי פקודות אקראיות ממחשב. מעניין לציין שתאי העצב ממקור אנושי הצליחו להגיע לזמני משחק ארוכים מעט יותר מתאי העצב שהופקו ממכרסמים.

בעתיד קבוצת המחקר רוצה לנצל את הפלטפורמה שבנתה כדי לבדוק את השפעתם של תרופות ושל חומרים שונים כמו אלכוהול על הפעילות העצבית, וכיצד אלו ישפיעו על יכולת הרשת העצבית לתפקד וללמוד [5]. לפי קבוצת המחקר, תוצאות אלה מקדמות אותנו להבנת המנגנונים הבסיסיים של יכולת החישוב והלמידה העצבית. בפרט, תוצאות אלו מצביעות על חשיבות הגירויים המשמשים כמשוב לפעילות הרשת, בתהליך הלמידה העצבית. הפלטפורמה שבה השתמשה קבוצת המחקר אפשרה לגדל רשת עצבית מבודדת, המסוגלת להתאים את דפוס הפעילות החשמלית ולהימנע מגירוי חיצוני בלתי צפוי. תוצאת הלוואי של הימנעות זאת באה לידי ביטוי בשיפור הדרגתי בביצועי המשחק פונג. בעוד שתוצאות אלו מעניינות ותומכות בהשערות המחקר, הן עדיין ראשוניות, ויידרשו עבודות רבות נוספות כדי לשחזר אותן וכדי להסבירן לעומק. אבל מי יודע, אולי יום אחד תאי עצב בצלחת ינצחו שחקן אנושי בשחמט? 

עריכה: שיר רוזנבלום-מן

מקורות לקריאה נוספת:

1. מידע מעניין על תאי עצב, סינפסות והולכה עצבית
2. פוסט על רשתות עצביות בשירות הרפואה, מדע גדול, בקטנה
3. תאי עצב שגדלו במעבדה למדו לשחק "פונג", כתב העת Neuron
4. עקרון האנרגיה החופשית, כתב העת Nature Neuroscience
5. "תאי עצב בצלחת למדו לשחק פונג", כתב העת Nature