הסייבורגים שבינינו: ממשקי מוח-מחשב

דמיינו לרגע את מכונת החישוב הטובה ביותר שאפשר להעלות על הדעת: בעלת יכולת אדירה לפענוח מידע וזיכרון, ובנוסף היא יכולה ללמד עצמה יכולות חדשות לחלוטין. למכונה המופלאה שלנו יש מגבלה אחת ויחידה – היא לכודה בקופסה אפלה והקשר היחיד שלה לעולם החיצון הוא באמצעות מערך חיישנים וזרועות שביכולתה להפעיל. אם אחד החיבורים של המכונה לעולם החיצון יתנתק, היא תאבד תפקודים קריטיים, ולמעשה תישאר לכודה בתוך הקופסה האפלה. לא, זו לא גירסה משודרגת של ChatGPT, אלא המוח האנושי ומערכת העצבים. כיום יש ביכולתנו לקרוא את המתרחש במוח, להשתמש במידע כדי לגשר על נכויות שונות ואף לשדר אליו בחזרה. כך נוכל לשחרר אותו ממגבלות הגולגולת האנושית, הלוא היא הקופסה שכולאת אותו. מכלול הטכנולוגיות הזה מכונה "ממשקי מוח-מחשב", ולמרות הדימוי המתקדם "סייבורגים" המשלבים ממשקים כאלה קיימים בינינו כבר יותר מ-40 שנה.

ממשקי מוח-מכונה אינם חדשים, והתקדמויות עדכניות בתחום מאפשרות, ברמות יעילות שונות, לנכים ללכת, לעיוורים לראות, לחירשים לשמוע ולאילמים לדבר. מעבר לכך, קיים מאמץ מתמשך לפיתוח טכנולוגיות שישפרו את יכולות המוח אל מעבר למצב הטבעי. לפני שנדבר על מה ממשקי מוח-מחשב מסוגלים לעשות, נבין קצת איך ממשקי מוח-מחשב עובדים ומה מאפשר לנו "לקרוא" את המוח.

מחשב שמאפשר לאילמים לתקשר בכוח המוח. סרטון על מחקר של אוניברסיטת קליפורניה (באנגלית): 

הבסיס לתקשורת בין תאי עצב הוא אותות חשמליים, המכונים "פוטנציאל פעולה". קצב שליחת האותות ועוצמתם מושפעים מהקלט המגיע אל תא העצב ומהפעילות המתרחשת בסביבתו. מדידת קצב שליחת האותות החשמליים מן התאים, מאפשר לקבל מידע על הפעילות המוחית. ואולם, במוח האנושי יש כ-86 מיליארד תאי עצב, המכונים נוירונים, אשר פעילים ברמות סינכרון שונות. לכן מדידת האותות החשמליים של תא עצב יחיד היא משימה מסובכת למדי.

עם זאת, אפשר למדוד את הפעילות החשמלית של תאים רבים יחד, באזורים גדולים במוח, באמצעות בדיקת EEG. זוהי בדיקה לא-פולשנית שפותחה כבר ב-1924 ובמסגרתה חובשים לנבדקים מעין כובע אלסטי בו משובצות  אלקטרודות המודדות את השינויים בפעילות החשמלית של אזורי מוח שלמים. הטכנולוגיה הפשוטה הזו מאפשרת לעקוב אחר סך הפעילות שהתקיימה בתאי העצב הממוקמים קרוב לאלקטרודות, ובמיוחד באזורים הממוקמים קרוב לפני השטח של המוח, סמוך לגולגולת. למרבה המזל, האזורים השולטים בשרירים (הקורטקס המוטורי, או קליפת המוח התנועתית) עונים על כלל המאפיינים האלה, ולקראת סוף שנות ה-80 פותחו טכנולוגיות המאפשרות לקרוא את אותות המוח מאזורי המוח האחראים על תכנון תנועה ותנועת שרירים, ולהשתמש בהם כדי  לבחור בין חפצים או לכתיבת מילים במחשב. כיום EEG היא האופציה הזולה והפשוטה ביותר לקריאת אותות מוח, והיא מאפשר לאנשים להניע עכבר מחשב, לשלוט בזרועות רובוטיות ואף ברובוטים שלמים. ספציפית, חוקרים הדגימו טכנולוגיות המאפשרות לנכים לשלוט בשלד רובוטי חיצוני, מה שהשיב להם את היכולת לנוע במרחב באופן חופשי יחסית. חסרונות השיטה, ובפרט העובדה שאינה מדויקת ודורשת להחזיק מערך אלקטרודות על הראש ללא תנועה, מונעת ממנה להפוך לפתרון קבע במרבית המקרים.

האופציה הפשוטה לקריאת אותות מוח. חוקר מדגים שליטה בכיסא גלגלים חשמלי באמצעות כובע על אלקטרודות EEG | צילום: PHILIPPE PSAILA / SCIENCE PHOTO LIBRARY

דרך נוספת לתקשר עם המוח היא באמצעות החדרת אלקטרודות ישירות לתוכו. שתלי מוח מסוג זה יכולים להתפרס על פני השטח של המוח ולהכיל מספר גדול של אלקטרודות זעירות (מערך רב-אלקטרודות – Multi electrode array) או לחדור עמוק לתוכו עם מספר מצומצם של אלקטרודות (גירוי מוחי עמוק – Deep brain stimulation). השיטה מאפשרת מגע ישיר עם מספר קטן של תאי עצב וקבלת מדידה מדויקת של האותות החשמליים מתא יחיד או ממספר מצומצם של תאים בזמן פעילות מסוימת. בנוסף, היא מאפשרת לשדר אותות חשמליים בחזרה אל תאי המוח וכך להשפיע על פעילותו, מה שלא מתאפשר ב-EEG. החסרונות ברורים למדי – דרוש ניתוח מוח פתוח, עם כל הסיכונים הכרוכים בכך.

משותק הולך בעזרת שלד חיצוני המופעל באמצעות רישום גלי המוח שלו. סרטון של רשת Bloomberg (באנגלית): 

כשהחירשים ישמעו

החזרת שמיעה לחירשים התאפשרה כבר בשנות ה-60 הודות לשתלי שבלול. שתלים אלו שולחים אותות ישירות לעצב השמיעה שבאוזן התיכונה, ומאפשרים לחירשים לשמוע, בתנאי שעצב השמיעה שלהם מתפקד. מה עושים כאשר עצב השמיעה נפגם או התנוון? במקרה זה אפשר להתחבר ישירות לגזע המוח, ולשדר אליו את האותות החשמליים המתאימים כדי לאפשר מחדש שמיעה. שלא במפתיע זה היה אחד השימושים הראשונים לאלקטרודות מוח, והופיע כבר ב-1979. במחקר הראשוני ההוא חוקרים הצמידו אלקטרודות מפלטינה לגזע המוח של חירשת ואפשרו לה לראשונה לשמוע, למרות שלא יכלה לקבל שתל שבלול. השמיעה התאפשרה הודות למחשב שתרגם את הצלילים שנקלטו במיקרופון לאותות ששודרו לגזע המוח ודימו את פעולתם של תאי העצב באוזן. לניתוח ההוא הייתה הצלחה מוגבלת מאד, שכן לאחר זמן מה השתל הפסיק לעבוד ונע למקום אחר. לאחר שהחוקרים והרופאים שכללו את שיטות הניתוח ואת הדרכים לקבע את השתל, לצד שכלול השתלים עצמם, בשנת 2000 אישר מינהל המזון והתרופות של ארצות הברית, ה-FDA, את השימוש בטכנולוגיה בבני אדם. מאז בוצעו יותר מ-1,000 ניתוחים כאלה ברחבי העולם, המאפשרים לחירשים לשמוע.

המחשב מתרגם את הצלילים לאותות חשמליים והשתל מעביר אותם לתאי עצב בגזע המוח. התקן המאפשר שמיעה גם למי שהתחרשו בעקבות פגיעה הרסנית באוזן הפנימית | צילום: DR P. MARAZZI / SCIENCE PHOTO LIBRARY

והעיוורים ייראו

חוש השמיעה היה הראשון ששוחזר באמצעות שתל ממוחשב, אבל ממש לא האחרון. בשנת 2002 הוצג לראשונה שתל המבוסס על מערך רב-אלקטרודות שחובר לרשתית העין של שישה מטופלים ואיפשר לשחזר במידה מוגבלת את ראייתם. המטופלים, שסבלו כולם מרטיניטיס פיגמנטוזה, מחלה נדירה של ניוון הרשתית המובילה לעיוורון, יכלו להבדיל עם השתל בין אור לחושך, ולזהות תנועת עצמים בשדה ראייה צר במיוחד. כיום, מערכי אלקטרודות מתוחכמים בהרבה מאפשרים לשחזר חלקים נרחבים משדה הראייה, ואף לשלב אותו עם שדה הראייה הטבעי של המטופל, במקרים שבהם הגורם לעיוורון לא פגע בעצבי הראייה. חוש הראייה המשוחזר כולל מערכים של כמה עשרות עד כמה מאות "פיקסלים" שאותם רואה המטופל, אך עדיין אינו קרוב למקור. במרץ 2021 הוצג לראשונה שתל רשתית המאפשר לשחזר ראייה ברזולוציה טובה בהרבה, המכיל מעל 10,000 אלקטרודות הנצמדות לרשתית. שתל זה נמצא כיום בהליכי אישור לפני השתלה בבני אדם.

שתלי הראייה המוקדמים התבססו על קיומה של הרשתית בעין המכילה תאים הקולטים את האור ומתרגמים  אותו לאות חשמלי המועבר בתאי העצב אל אזורי הראייה במוח, ועל תקשורת ישירה עם תאי העצב הנמצאים בה. במקרים שבהם העין כולה נפגמה, או שעצב הראייה התנוון, עדיין אפשר לשחזר ראייה באמצעות תקשורת ישירה עם מרכז הראייה במוח. חוקרים מספרד ומארצות הברית הדגימו באוקטובר 2021 שיחזור ראייה במטופלת עיוורת באמצעות מערך של 96 אלקטרודות שהושתל באזור קליפת המוח הראייתית  במוחה. אחרי 16 שנות עיוורון, בזכות מערך האלקטרודות שחובר למוחה הצליחה האישה להבחין בין שחור ללבן, לזהות עצמים ואף אותיות. ההישג המרשים התאפשר בזכות תקשורת ישירה בין מחשב שקיבל תמונות ממצלמה, לבין מוחה של המטופלת. המחשב איפשר לחוקרים לתרגם את התמונה שהגיעה מהמצלמה לאותות חשמליים ששודרו למוחה של המטופלת דרך מערך האלקטרודות, ופוענחו במרכז הראייה שלה כאותות ויזואליים שהגיעו מהעיניים. למרבה הצער, מאחר שמדובר בטכנולוגיה ניסיונית, המערך הוסר ממוחה לאחר כשישה חודשים.

ארבעה חודשים לאחר מכן הושגה קפיצה טכנולוגית נוספת כאשר בוצעה השתלה ניסיונית של שתל אלחוטי עם 400 אלקטרודות. בשלב זה החולה עדיין לא יוכל לראות באמצעות השתל, אך בשלב הבא של הניסוי הקליני, שטרם הסתיים, צפויים להגיע להישג זה.

למרות ההתקדמות הרבה, יש עוד דרך ארוכה לראייה מוחית-ממוחשבת של ממש. עיוור עם שתל שנועד להחליף את הרשתית | צילום: PHILIPPE PSAILA / SCIENCE PHOTO LIBRARY

ללכת בכוח המחשבה

שימוש נפוץ נוסף של שתלי מוח הוא בגישור על פציעות בחוט השדרה. חוט השדרה הוא אסופת העצבים המחברים את המוח למערכת העצבים ההיקפית, וקטיעה שלו מונעת תקשורת בין המוח לאיברי הגוף שמתחת לאזור הפגיעה. עם זאת, שאר תאי העצב יישארו תקינים מה שמאפשר לגשר על הפער באמצעות שתל שישדר את אותות המוח ישירות לאיבר הרצוי.

כבר ב-2013 הודגמו גפיים רובוטיות שיכלו לקרוא אותות ישירות ממערכת העצבים של החולה וב-2015 חוקרים הצליחו להשתמש במערכי אלקטרודות כדי לאפשר לנכה מהצוואר מטה לשלוט בזרוע רובוטית רק בכוח המחשבה. בשנה שלאחר מכן קבוצה אחרת של חוקרים הצליחה לאפשר תקשורת דו-כיוונית בין הזרוע הרובוטית למוח. לא רק שהחולה יכל לשלוט בזרוע ולהזיז אותה, אלא גם הזרוע שידרה בחזרה תחושות ומרקמים שונים וכך אפשרה לחולה משותק לחוות את חוש המישוש.

ההתקדמות הגדולה ביותר בתחום התרחשה לפני פחות מחודש, כאשר קבוצת חוקרים בינלאומית בהובלת מדענים משוויץ הצליחה לשחזר הליכה למשותק באמצעות שתל במוחו ששידר ישירות לרגליו. השתל שמבוסס גם הוא על מערך אלקטרודות הקליט את אותות המוח באזור האחראי על הליכה ושידר אותם למערך נוסף שהושתל בחוט השדרה של המטופל. ההליכה לא הייתה מושלמת, אך אפשרה למטופל לנוע באמצעות הליכון ולהתגבר על מכשולים בסיסיים.

גשר בין המוח לחוט השדרה מאפשר למשותק ללכת, גם אם בעזרת קביים או הליכון. המטופל במחקר השווייצרי | צילום: CHUV/Gilles Weber

קריאת מחשבות ושיפור זיכרונות

ממשקי מוח-מחשב לא מוגבלים רק ליישומי חישה ותנועה. מאמץ מחקרי רב מופנה גם לקריאת אותות שמקורם בזכרונות ומחשבות. בניגוד למחשבים, למוח אין "כונן קשיח" המכיל את כל זכרונותינו, וחלקים שונים של המוח אחראים על אחסון מידע בזיכרון ושליפה של פרטים ממנו. בחודש מאי האחרון צוות חוקרים מארצות הברית הצליח חלקית בפענוח זכרונות באמצעות סריקת מוח תיפקודית בתהודה מגנטית (fMRI). הסריקה מזהה שינויים בפעילות המוחית על ידי מדידה עקיפה של צריכת החמצן של תאים במוח. 

הטכנולוגיה שהחוקרים פיתחו התבססה על פענוח ייחודי של הסריקה באמצעות בינה מלאכותית. הם אימנו את הבינה המלאכותית על נתונים שנאספו בסריקות מוח של נבדקים שבוצעו בזמן שהשמיעו להם משפטים ידועים מראש. בשלב הבא, הם הזינו למודל סריקות מוח שבוצעו בזמן שהושמעו לנבדקים משפטים שלא נכללו בשלב ה"למידה" של מערכת הבינה המלאכותית. המערכת התאימה את דפוסי הפעילות המוחית למצבים שבהם הנבדק חשב על מילה מסוימת, וכך ניסתה לפענח את המשפטים החדשים. הפענוח היה רחוק משלמות. הבינה המלאכותית הצליחה לזהות רק מילים אחדות מכל משפט, וגם אם הבינה את משמעות המשפט הכללית לא עלתה על המילים המדויקות, או שפענחה מילים באופן שגוי לחלוטין. גם בשביל ההישג הצנוע הזה נדרשו החוקרים ללמד את הבינה המלאכותית לפענח בנפרד את דפוסי הפעילות המוחית של כל נבדק, מה שחייב כל אחד מהנבדקים לשהות כמעט 16 שעות במכשיר ה-MRI. לפיכך, אנחנו עדיין רחוקים מפענוח כללי של זיכרונות.

בניגוד לפענוח של זיכרונות, שיפור הזיכרון האנושי לא מצריך מידע על כלל המוח, שכן ניתן לשפר סוג מסוים של זיכרון באופן נקודתי. זה בדיוק מה שעשו חוקרים בשנת 2018. המחקר כלל חולי אפילפסיה שאלקטרודות הושתלו בעומק מוחם כדי לטפל במחלתם. בנוסף לטיפול עצמו השתמשו החוקרים באלקטרודות כדי להקליט את התקשורת החשמלית במוחם של החולים בזמן שביצעו משימות זיכרון. לאחר מכן האלקטרודות שידרו מחדש למוח את האותות שהוקלטו במהלך המשימה הראשונה.החוקרים הראו שפעולת האלקטרודות הצליחה לשפר ב-35 אחוז את הזיכרון של הנבדקים.

הבינה המלאכותית יכולה לסייע בפענוח ממוחשב של זכרונות, למרות שאנו רק בתחילת הדרך לשם. סרטון על מחקר פענוח הזכרונות (באנגלית):

מבט לעתיד

השיפורים בטכנולוגיית שבבי המוח, לצד שיפור יכולות המיחשוב והבינה המלאכותית מקרבים אותנו לעתיד שבו נוכל לפענח אותות מהמוח, להתגבר על שלל נכויות ואף לשדרג את יכולותינו. הדוגמאות שהבאנו כאן הן רק קצה הקרחון של המאמץ המדעי לפיתוח ושכלול של ממשקי מוח-מחשב. הממשקים הקיימים היום רחוקים מלהיות מושלמים. אנו מוגבלים בהבנת האותות במוח, שחלקם כלל לא מאוכסן באמצעים חשמליים. באופן ספציפי, סביב תאי העצב יש מבנים חלבוניים-סוכריים המכונים הרשת הקדם-נוירונלית. הרשת מאכסנת זכרונות כחלק מהמבנה שלה. בשל כך, הטכנולוגיות הקיימות היום, כמו גם שכלולים של טכנולוגיית האלקטרודות, לא יוכלו לאתר זכרונות המקודדים באופן זה או אף לדעת על קיומם. מעבר לכך, בעוד שקיימת הבנה לא רעה של קידוד ואכסון זכרונות באמצעות אותות חשמליים, אנו יודעים מעט מאד על הרשת הקדם-נוירונלית, ממה היא עשויה, כיצד היא נבנית ומתפרקת, ואילו זכרונות מאוכסנים בה. 

צריך גם לקחת בחשבון שהשתלת שבבים במוח אינה הליך פשוט, וכוללת סיכונים רבים לנזק מוחי. בשל כך לא סביר ששתלים כאלה יהפכו להיות טכנולוגיה נפוצה בעתיד הקרוב. כל זה עוד לפני שמתחילים לחשוב על הצדדים האתיים והבטיחותיים של השתלת חומרה קבועה במוח, בעלת חיבור למחשב. כמו כל מוצר מיחשוב, גם מערכת כזו עלולה להיות חשופה לכשלים, ואפילו למתקפות זדוניות של האקרים. בהקשר זה ראוי לציין את חברת נוירלינק של אלון מאסק שהחידוש המרכזי שלה הוא בהפיכת הליך ההשתלה של שבבי מוח מורכבים לאוטומטי, ולהפיכת שבבי המוח לאלחוטיים. החברה אמנם קיבלה לאחרונה אישור ראשוני לניסויים בבני אדם אך היא רחוקה מאד ממתחרותיה האחרות בתחום ממשקי המוח, בייחוד ביכולות להתמודדות עם נכות מוטורית ועם עיוורון.

מנגד, השיפורים ביכולותינו לקרוא את המוח באופן לא-פולשני, ולעבד את האותות המתקבלים ממנו ברמה טובה יותר, עשויים לאפשר לממשקי מוח-מחשב להיות אמצעי נוסף שיעצים את יכולותינו האנושיות, לרפא את מגבלותינו ואולי אף יאפשר לנו לשלב את תודעתנו עם יכולותיה המתרחבות של הבינה המלאכותית.

העולם החדש שפותחים בפנינו ממשקי מוח-מכונה  וההתקדמות המהירה בתחום מעלים שאלות אתיות וחוקיות שעמן יהיה עלינו להתמודד. האם מותר לקרוא מחשבות ככלי חקירה? האם אפשר לאשר לאנשים לעבור ניתוח מוח שלא לצרכים רפואיים, אלא כדי להעצים את יכולותיהם? וחשוב מכל, כיצד אפשר לוודא את בטיחות המשתמשים? נכון להיום לא קיימת חקיקה או מדיניות בתחום, ונראה שבקרוב מאד נצטרך לתת על כך את הדעת.