חשיבה מחודשת על עיצוב המוח: נוירונים אנושיים קוראים תיגר על הנחות ישנות עם חיווט ייחודי

מחקר חדש מפענח את החיווט של הניאוקורטקס האנושי.

מחקר חדש בהובלת Charité – Universitätsmedizin Berlin ופורסם ב מַדָע מגלה שהחיווט של תאי העצב בניאוקורטקס האנושי שונה באופן משמעותי מזה של עכברים. המחקר גילה כי נוירונים אנושיים מעבירים בעיקר אותות בצורה חד-כיוונית, בעוד שנוירונים של עכברים בדרך כלל שולחים אותות בדפוסי לולאה. הבדל מבני זה עשוי לשפר את יכולתו של המוח האנושי לעבד מידע בצורה יעילה ואפקטיבית יותר. לממצאים יש השלכות אפשריות על קידום טכנולוגיות רשתות עצביות מלאכותיות.

עובי הניאוקורטקס, מבנה קריטי לאינטליגנציה האנושית, הוא פחות מחמישה מילימטרים. שם, בשכבה החיצונית ביותר של המוח, 20 מיליארד נוירונים מעבדים אינספור תפיסות חושיות, מתכננים פעולות ומהווים את הבסיס לתודעה שלנו. איך הנוירונים האלה מעבדים את כל המידע המורכב הזה? זה תלוי במידה רבה באופן שבו הם "מחוברים" זה לזה.

ניאוקורטקס מורכב יותר – עיבוד מידע שונה

"ההבנה הקודמת שלנו של ארכיטקטורה עצבית בניאוקורטקס מבוססת בעיקר על ממצאים ממודלים של בעלי חיים כמו עכברים", מסביר פרופ' יורג גייגר, מנהל המכון לנוירופיזיולוגיה ב-Charité. במודלים אלה, הנוירונים השכנים מתקשרים זה עם זה לעתים קרובות כאילו הם נמצאים בדיאלוג. נוירון אחד מאותת לאחר, ואז זה שולח אות בחזרה. זה אומר שהמידע זורם לעתים קרובות בלולאות חוזרות".

מכשיר רב טלאי עם מניפולטורים רובוטים ששוטפים אוטומטית את פיפטות הזכוכית בין שני סבבי ניסויים. קרדיט: Charité | יאנגפאן פנג

הניאוקורטקס האנושי הוא הרבה יותר עבה ומורכב מזה של עכבר. אף על פי כן, חוקרים הניחו בעבר – בין השאר בגלל חוסר בנתונים – שהוא פועל לפי אותם עקרונות בסיסיים של קישוריות. צוות של חוקרי Charité בראשות גייגר השתמש כעת בדגימות רקמה נדירות במיוחד ובטכנולוגיה מתקדמת כדי להוכיח שזה לא המקרה.

שיטה חכמה להקשיב לתקשורת נוירונית

לצורך המחקר, החוקרים בחנו רקמת מוח של 23 אנשים שעברו נוירוכירורגיה ב-Charité לטיפול באפילפסיה עמידה לתרופות. במהלך הניתוח, היה צורך רפואי להסיר רקמת מוח על מנת לקבל גישה למבנים החולים שמתחתיו. החולים הסכימו לשימוש ברקמת גישה זו למטרות מחקר.

שחזור מסתובב של נוירונים. קרדיט: Charité | סבין גרוסר

כדי להיות מסוגלים לצפות בזרימות האותות בין נוירונים שכנים בשכבה החיצונית ביותר של הניאוקורטקס האנושי, הצוות פיתח גרסה משופרת של מה שמכונה טכניקת "ריבוי טלאים". זה אפשר לחוקרים להקשיב לתקשורת המתרחשת בין עד עשרה נוירונים בבת אחת. כתוצאה מכך, הם יכלו לבצע את מספר המדידות הדרוש כדי למפות את הרשת בזמן הקצר לפני שהתאים הפסיקו את פעילותם מחוץ לגוף. בסך הכל, הם ניתחו את ערוצי התקשורת בין כמעט 1,170 נוירונים עם כ-7,200 קשרים אפשריים.

הזנה קדימה במקום במחזוריות

הם גילו שרק חלק קטן מהנוירונים ניהלו דיאלוג הדדי זה עם זה. "אצל בני אדם, המידע נוטה לזרום בכיוון אחד במקום זאת. לעתים רחוקות הוא חוזר לנקודת ההתחלה, ישירות או באמצעות מחזוריות", מסביר ד"ר יאנגפאן פנג, המחבר הראשון של הפרסום. הוא עבד על המחקר במכון לנוירופיזיולוגיה וכעת הוא מבוסס במחלקה לנוירולוגיה ובמרכז לחקר מדעי המוח בשאריטה. הצוות השתמש בסימולציה ממוחשבת שהם המציאו על פי אותם עקרונות העומדים בבסיס ארכיטקטורת הרשת האנושית כדי להוכיח שלזרימת האותות המכוונת קדימה יש יתרונות במונחים של עיבוד נתונים.

מיקרופיפטה ממכשיר ה-multipatch מתקרבת לנוירון בודד. קרדיט: Charité | פרנץ מיטרמייר

החוקרים נתנו לרשת העצבית המלאכותית אופייני למידת מכונה משימה: זיהוי המספרים הנכונים מהקלטות אודיו של ספרות מדוברות. מודל הרשת שחיקה את המבנים האנושיים השיג תגובות נכונות יותר למשימת זיהוי דיבור זו מזו שהודגם על עכברים. זה גם היה יעיל יותר, עם אותם ביצועים שדרשו שווה ערך ל-380 נוירונים במודל העכבר, אבל רק 150 בדגם האנושי.

מודל לחיקוי כלכלי עבור AI?

"ארכיטקטורת הרשת המכוונת שאנו רואים בבני אדם היא חזקה יותר וחוסכת משאבים מכיוון שיותר נוירונים עצמאיים יכולים להתמודד עם משימות שונות בו זמנית", מסביר פנג. "משמעות הדבר היא שהרשת המקומית יכולה לאחסן מידע נוסף. עדיין לא ברור אם הממצאים שלנו בשכבה החיצונית ביותר של הקורטקס הטמפורלי משתרעים לאזורים אחרים בקליפת המוח, או עד כמה הם עשויים להסביר את היכולות הקוגניטיביות הייחודיות של בני אדם".

בעבר, מפתחי בינה מלאכותית חיפשו מודלים ביולוגיים להשראה בתכנון רשתות עצביות מלאכותיות, אך גם ייעלו את האלגוריתמים שלהם ללא תלות במודלים הביולוגיים. "רשתות עצבים מלאכותיות רבות כבר משתמשות בצורה כלשהי של הקישוריות המכוונת קדימה מכיוון שהיא מספקת תוצאות טובות יותר עבור כמה משימות", אומר גייגר. "זה מרתק לראות שגם המוח האנושי מציג עקרונות רשת דומים. התובנות הללו לגבי עיבוד מידע חסכוני בניאוקורטקס האנושי יכולות לספק השראה נוספת לחידוד רשתות בינה מלאכותית".