התולעת הממוחשבת הראשונה

אחד מהאתגרים הגדולים של דורנו הוא לחקות את פעולת המוח באמצעות מחשב. מדענים רבים ברחבי העולם מנסים למצוא תיאור מתמטי לפעולת המוח באמצעות כללים ואלגוריתמים הלקוחים מתחום מדעי המחשב, מתמטיקה, למידת מכונה, ועוד. במסגרת מיזם המוח האנושי (שבו חבר גם פרופ' עידן שגב מהאוניברסיטה העברית), שוקדים מדענים ומדעניות על יצירת הדמיית מחשב (סימולציה) של פעילות מוחית אנושית. מיפוי התאים והקשרים במוח האדם יוכל לסייע במציאת תשובות לבעיות מורכבות בתחום מדעי המוח שכרגע איננו מודעים אפילו לקיומן.

הדרך להדמיה מהימנה של המוח עוד ארוכה, אך כעת נעשה עוד צעד חשוב לקראתה. חוקרים מאוסטריה הצליחו לכתוב תוכנה שמדמה את הפעילות המוחית של תולעת אדמה מסוג סי אלגנס (C. elegans), וללמד אותה לבצע פעולה פשוטה חדשה.

סי אלגנס היא תולעת אדמה שאורכה כמילימטר אחד. תכונותיה, והעובדה שקל במיוחד לגדל אותה, הפכו אותה לאחד האורגניזמים הנחקרים ביותר בגנטיקה ובביולוגיה התפתחותית. כמו כן, מערכת העצבים שלה (אין לה מוח ממש) מורכבת מ-302 תאי עצב בלבד, שמחוברים זה לזה בכ-8,000 צמתים עצביים (סינפסות). בזכות זה היא היצור היחיד בעולם שמיפינו את הקשרים בין כל תאי העצב שלו.

החוקרים ביצעו הדמיית מחשב של החלק במערכת העצבים של התולעת ששולט בתנועת זנבה בתגובה למגע חיצוני. הם נעזרו לשם כך במשוואות שמתארות את פעילות התאים לאורך זמן בתגובה לסוגי קלט שונים, והגיעו למצב שבו הפעלה של תאי חישה המזהים מגע בזנב גורמת להנעתו. זה הישג מרשים בפני עצמו, שמראה איך פענוח יחסי הגומלין בין תאי עצב בודדים יכול ליצור מערכת מורכבת של חישה ותנועה שמחקה התנהגות אמיתית של התולעת.

מקל באוויר

בכך לא הסתיימה עבודתם. בשלב הבא לימדו החוקרים את הרשת העצבית שיצרו לבצע פעולה אחרת, שלא הייתה מוכרת לתולעת ולרשת שפותחה לפיה. המשימה שעמדה לפניה הייתה לייצב מוט קשיח שאינו נמצא בשיווי משקל. בדומה לאדם שמנסה לייצב מטאטא הפוך על כף היד – כל שינוי קטן במקומו של מרכז המסה מחייב את התולעת להתאים את ה"אחיזה" שלה בבסיס המוט. החוקרים השתמשו ברשת שנבנתה על בסיס מעגל חישה ותנועה בזנב, ולימדו אותה את המשימה החדשה.

בשלב הזה הרשת קיימת רק במחשב, והתולעת שממנה העתיקו את הרשת כבר איננה חלק מהמחקר. את "לימוד" המשימה החדשה עשו החוקרים על גבי הרשת הממוחשבת בלבד. "חיישני המגע" סיפקו מידע על מיקומו של המוט, והרשת החזירה את הנתון על כמות ההזזה הנדרשת אל "תאי העצב" האחראיים על התנועה. בסופו של דבר, לאחר כמה שלבי לימוד, הצליחה הרשת לבצע את המשימה החדשה והבלתי מוכרת.

המשימה הזאת היא מבחן מקובל למערכות שליטה מכניות, שכן היא מראה שרכיב השליטה מסוגל לשמור את המערכת במצב של שיווי משקל רופף ולהתחשב בתכונות הדינמיות של המערכת. על כן עושים בה שימוש נרחב בתחום הרובוטיקה.

שאלה של תודעה

המשימה החדשה אינה משימה שהתולעת (או הרשת העצבית שנבנתה מתוכה) ידעו לעשות קודם לכן, והחוקרים לימדו את התולעת הממוחשבת את המשימה החדשה בשיטה שנקראת למידת חיזוק. זו שיטה חישובית שנמצאת בשימוש רחב בתחומים שונים במדעי המחשב ופותחה בהשראת מנגנון ההתניה האופרנטית – מנגנון למידה נפוץ שלקוח מהפסיכולוגיה ההתנהגותית ומתאר בין השאר תהליך של אילוף בעלי חיים. עבור כל הצלחה במשימה מקבלת הרשת "פרס", בדומה לכלב שמקבל חטיף כשהוא מבצע את הוראות המאלף. הרשת מעדכנת את מפת הקשרים בתוכה בצורה שתסייע לה לבצע את המשימה בצורה הטובה ביותר, שתעניק לה את ה"פרס" הגדול ביותר.

בסופו של דבר השלימו החוקרים מהלך מעגלי ויפה – בעזרת סימולצית מחשב הם הראו שאפשר לשחזר התנהגות שנצפתה אצל תולעים חיות, ובעזרת מודל התנהגותי הראו שאפשר לתכנת את הרשת לבצע מטלה חישובית שונה מזו שלשמה היא נוצרה במקור.

השאלה אם נוכל להסביר את כל פעילות המוח, ובפרט את היווצרות התודעה, היא שאלה פילוסופית שעליה ניטש וויכוח ארוך עוד מראשית ימי המחשב. המחקר הנוכחי רומז שזה אכן אפשרי באופן בסיסי, לפחות עבור רשת עצבית פשוטה מאוד. לשם השוואה, במוח האנושי קיימים לפי ההערכות כ-100-80 מיליארד תאי עצב וכ-100 טריליון סינפסות, כך שהמורכבות שלו גדולה פי כמה וכמה. לפני שנוכל "להעלות את המוח לענן" יידרשו לנו עוד תגליות רבות בדרך.