דור חדש של ממשקי מוח-מכונה ניסיוניים מסוגל לפענח מה אדם רוצה לעשות – ואפילו לאפשר למשותקים לשתות כוס בירה

בקיצור

  • ממשקי מוח-מכונה, או ממ"מ בקיצור, יכולים לשלוח הוראות למעגלים עצביים ולקבל מהם הוראות בחזרה.
  • הממ"מים הקיימים נוטים לפעול בצורה לא מדויקת או איטית.
  • מחקר חדש מציב את הממשקים באזורים במוח שמנסחים את כוונותיו של האדם לזוז, וכך יוצר טכנולוגיה מגוונת יותר עבור אנשים שסובלים מפגיעות בעמוד השדרה.

צמרמורת אוחזת בי כל פעם מחדש כשאני רואה את זה. מתנדב משותק יושב בכיסא גלגלים ושולט משם על מחשב או על גפה רובוטית בכוח המחשבה בלבד. זאת הדגמה חיה של ממשק מוח-מכונה (ממ"מ).

זה קרה במעבדה שלי ב-2013, כשאריק סורטו (Sorto), שנפל קורבן לפציעת ירי בגיל 21, השתמש במחשבותיו בלבד כדי לשתות בירה בכוחות עצמו לראשונה מזה יותר מעשר שנים. הממ"מ שלח הוראות עצביות מאזור של עיבוד מחשבה מתקדם בקליפת המוח. תותב אלקטרומכני נשלח ותפס את הבקבוק, הרים אותו לשפתיו של סורטו ואִפשר לו ללגום. הלגימה הגיעה שנה אחרי ניתוח שבו הושתלו לו אלקטרודות במוח כדי לשלוט על האותות ששולטים במחשבות שמפעילות תנועה מוטורית. עמיתיי למעבדה ואנוכי צפינו בו בהשתאות משלים בהצלחה את המשימה הפשוטה כביכול הזאת, שהיא למעשה מורכבת מאוד.

למראה הישג כזה עולה מיד השאלה איך מחשבות בלבד יכולות לשלוט על תותב מכני. אנו מניעים את גפינו בצורה לא מודעת באופן שגרתי – וכל ממ"מ מתוחכם שם לו למטרה להשלים בצורה פשוטה את התנועות הללו. אולם מדעני מוח ניסו במשך עשורים לפענח את האותות העצביים שיוזמים את התנועות לשלוח יד ולתפוס עצמים. הצלחה מוגבלת בקריאת האותות האלה הציתה מחקרים שחיפשו דרכים חדשות להתחבר לקקופוניה של הפעילות החשמלית המהדהדת בזמן ש-86 מיליארד תאי העצב במוח מתקשרים ביניהם. דור חדש של ממ"מים מבטיח כעת ליצור קשר הדוק בין המוח לתותב על ידי חיבור מדויק לאזורים עצביים שמנסחים פעולות – למשל כשהמטרה הרצויה היא לתפוס ספל או לצעוד.

ממוח לרובוט

ממ"מ פועל על ידי שליחת אותות אל המוח וקבלת אותות אחרים ממנו – "כתיבה" ו"קריאה". קיימים שני סוגים עיקריים של טכנולוגיות ממשק. ממ"מ "כותב" משתמש בדרך כלל בעירור חשמלי כדי להעביר אות לרקמה העצבית. קיימים כבר יישומים רפואיים מוצלחים של הטכנולוגיה הזאת. השתל השבלולי, לדוגמה, מעורר את עצב השמיעה ומאפשר לנבדקים חרשים לשמוע. עירור בעומק המוח של אזורים ששולטים בפעילות מוטורית, גרעיני הבסיס, משמש לטיפול בהפרעות מוטוריות כמחלת פרקינסון ורעד. ומכשירים  שמעוררים את הרשתית נמצאים כעת בניסויים קליניים שמטרתם להקל על הלוקים בסוגים מסוימים של עיוורון.

לעומת זאת, ממ"מים "קוראים", שקולטים פעילות עצבית, נמצאים עדיין בשלב הפיתוח. צריך להתמודד עם האתגרים הייחודיים של קריאת אותות עצביים לפני שהטכנולוגיה המתקדמת הזאת תגיע לחולים. שיטות קריאה גסות כבר קיימות. האלקטרואנצפלוגרם (אא"ג) מקליט את הפעילות הממוצעת על פני רקמת מוח בשטח של כמה סנטימטרים, ומתעד את הפעילות של מיליוני תאי עצב, אך לא את הפעילות של תאי עצב יחידים במעגל עצבי בודד. דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) הוא מדידה לא ישירה שרושמת את העלייה בזרימת הדם לאזורים פעילים. אפשר לדמות בו אזורים קטנים יותר מאשר באא"ג, אבל כושר ההפרדה נותר נמוך למדי. שינויים בזרימת הדם מתרחשים לאט, ולכן fMRI לא יכול לזהות שינויים מהירים בפעילות המוח.

באופן אידיאלי שאיפתנו צריכה להיות להקליט את הפעילות של תאי עצב יחידים כדי לגבור על המגבלות הללו. צפייה בשינויים בקצב ירי האותות של קבוצה גדולה של תאי עצב  בודדים יכולה לספק את התמונה השלמה ביותר של מה שמתרחש באזור מסוים במוח.

בשנים האחרונות, מערכי אלקטרודות זעירות שמושתלות במוח החלו לאפשר לראשונה הקלטות כאלה. נכון לעכשיו נמצאים בשימוש מערכי משטחים של 4*4 מילימטרים עם מאה אלקטרודות. כל אלקטרודה, שאורכה 1.5-1 מילימטר, בולטת מהמשטח. המערך הזה, שדומה למיטת מסמרים, יכול להקליט את הפעילות של 200-100 תאי עצב.

האותות שקולטות האלקטרודות הללו עוברים ל"מפענחים", שנעזרים באלגוריתמים מתמטיים כדי לפענח תבניות מגוונות של ירי אותות מתאי עצב יחידים ולתרגם אותם לאות שיוזם תנועה מסוימת, למשל שליטה על איבר תנועה רובוטי או מחשב. ממ"מים קוראים כאלה יעזרו לחולים שסובלים מנזק מוחי מתמשך בשל פגיעות בעמוד השדרה, שבץ, טרשת נפוצה, טרשת אמיוטרופית צידית (ALS), ומחלת ניוון שרירים על שם דושן. 

סורטו מזיז זרוע רובוטית במעבדה של אנדרסן (משמאל) | צילום: לאנס היאשידה, קאלטק

המעבדה שלנו מתמקדת במשותקים בארבע גפיים, שאינם מסוגלים להזיז את הידיים או הרגליים עקב פגיעה בחלק העליון של עמוד השדרה. אנו מתעדים אותות מקליפת המוח, שהיא שכבה בעובי של כשלושה מילימטרים על פני השטח של שני חצאי המוח (המיספרות). אם נשטח אותה, שטח קליפת המוח בכל צד של המוח יהיה כ-80 אלף מילימטרים רבועים. מספר האזורים בקליפה שמתמחים בשליטה בפעולות מוחיות ייחודיות גדל ככל שצברנו יותר נתונים וכיום ההערכה היא שהקליפה כוללת כ-180 אזורים כאלה. הם מעבדים מידע חישתי, מתקשרים עם אזורי מוח אחרים שקשורים למחשבה, מקבלים החלטות או שולחים פקודות שיחוללו פעולה.

בקצרה, ממשק מוח-מכונה יכול לתקשר עם אזורים רבים בקליפת המוח. עימם נמנים אזורי קליפת מוח ראשוניים, שמזהים קלט חישתי כגון זווית האור שנופל על הרשתית ועוצמתו, או התחושה שנוצרת שמופעלת בקצה עצב פריפריאלי. ביעדים האחרים לחיפוש נכללים אזורים קליפתיים מרובי קשרים עם האזורים הראשוניים שמתמחים בשפה, זיהוי עצמים, רגשות וקבלת החלטות.

כמה קבוצות מחקר כבר החלו לתעד אוכלוסיות של תאי עצב יחידים של חולים משותקים, כדי לאפשר להם להפעיל תותב בסביבה המבוקרת של המעבדה. עדיין נותרו מכשולים רציניים לפני שנוכל לצייד חולה בתותב עצבי באותה קלות שאנו משתילים קוצבי לב. הקבוצה שלי עוקבת אחרי תיעודים שנאספו באזורי האסוציאציה (אזורים בקליפת המוח שמתמקדים בעיבוד מורכב של מחשבות), במקום להתמקד בקליפה המוטורית כפי שעושות מעבדות אחרות. כך אנו מקווים לאפשר מהירות וגמישות רבה יותר בחישה של ירי אותות עצביים המעידים על רצון המטופל.

אזור האסוציאציה שמעבדתי חוקרת הוא האונה הקודקודית האחורית (אק"א), שם מתחילות התוכניות לתחילת התנועה. בעבודתנו על קופים מפותחים מצאנו אזור מסוים באק"א, בשם קליפת המוח התת-קודקודית הצידית, שמזהה כוונות להתחיל להניע את העיניים. עיבוד של תנועות גפיים מתרחש במקום אחר באק"א. אזור הגישה הקודקודי מכין את תנועות הזרוע. בנוסף, הידאו סאקאטה (Sakata), שהיה בשעתו בבית הספר לרפואה באוניברסיטת ניהון ביפן, מצא עם עמיתיו שהאזור התת-קודקודי הקדמי (anterior intraparietal area) יוצר תנועות של אחיזה.

האק"א מציע כמה יתרונות אפשריים לשליטה מוחית על כלים רובוטיים או על סמן המחשב. הוא שולט בשתי הזרועות, בשעה שהקליפה המוטורית בכל צד של המוח, שהיא האזור שבחנו מעבדות אחרות, מפעיל רק גפה אחת בצד הנגדי של הגוף. האק"א גם מצביע על מטרת התנועה. כשקוף, למשל, מקבל רמז ויזואלי לשלוח את ידו לעבר חפץ מסוים, אזור המוח הזה מופעל מיד ומסמן את מקומו של החפץ הרצוי. לעומת זאת, הקליפה המוטורית שולחת אות שמצביע על המסלול הרצוי של תנועת ההושטה. ידיעת המטרה של תנועה מוטורית מיועדת מאפשרת לממשק המוח-מכונה לפענח אותה במהירות, בתוך כמאתיים מילישניות, בעוד שפענוח האות למסלול שמגיע מהקליפה המוטורית עלול להימשך יותר משנייה.

מהמעבדה לחולה

לא היה פשוט להתקדם מניסויים על חיות מעבדה למחקרים על אק"א אנושית. 15 שנים חלפו לפני שיצרנו את השתל האנושי הראשון. בשלב הראשון הכנסנו את מערך האלקטרודות שתכננו להשתמש בו על בני אדם למוחם של קופים בריאים. הקופים למדו בהצלחה לשלוט בסמן מחשב או בזרועות רובוטיות.

הרכבנו צוות של מדענים, רופאים, ואנשי מקצוע בתחום השיקום מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (קאלטק), אוניברסיטת דרום קליפורניה, אוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, מרכז השיקום הלאומי ראנצ'ו לוס אמיגוס, ובית החולים ומרכזי הבריאות קאזה קולינה. קיבלנו אישור להתקדם הלאה ממינהל המזון והתרופות ומוועדות ביקורת מוסדיות ששפטו את הבטיחות והאתיקה של התהליך במעבדה, בבתי החולים ובמרפאות השיקום המעורבות.

מתנדבים בפרויקט כזה הם חלוצים אמיתיים, כיוון שהם עשויים לצאת נשכרים ממנו או לא להשיג דבר. המשתתפים מתגייסים ביסודו של דבר לעזור למשתמשי הטכנולוגיה שייעזרו בה לאחר שתשוכלל לשימוש יומיומי. הניתוח להתקנת השתל של סורטו, המתנדב הראשון שלנו, נעשה באפריל 2013, בידי מנתחי המוח צ'רלס ליו (Liu) ובריאן לי (Lee). התהליך עבר היטב, אבל אז היה עלינו לחכות שיחלים מהניתוח לפני שנוכל לבדוק את המכשיר.

עמיתיי במעבדות ההינע הסילוני בנאס"א, שבנו את רכבי השטח הרובוטיים למאדים ושיגרו אותם, סיפרו על שבע דקות האימה שעברו עליהם מרגע שכלי הרכב נכנסו לאטמוספרה של מאדים ועד שנחתו. עבורי אלה היו שבועיים של חרדה, של תהייה אם השתל יפעל. ידענו מהקופים איך פועלים אזורים דומים במוח, אבל שתל אנושי היה ניסוי בארץ לא נודעת. איש לא ניסה לפנינו לתעד אוכלוסיית תאי עצב באק"א.

ביום הראשון של הבדיקות זיהינו פעילות עצבית, ועד סוף השבוע כבר תועדו אותות ממספיק תאי עצב כדי להתחיל לקבוע אם סורטו יכול לשלוט בגפה רובוטית. אחדים מתאי העצב שינו את פעילותם כשסורטו דמיין את עצמו מסובב את ידו. משימתו הראשונה היתה לסובב את היד הרובוטית לכיוונים שונים כדי ללחוץ את ידו של סטודנט. הוא היה נרגש, כמונו, כי ההישג הזה ייצג את הפעם הראשונה מאז שנפצע שבה הוא הצליח לפעול בעולם באמצעות תנועת גוף של זרוע רובוטית.

בכוח המחשבה בלבד
במשך 15 שנה עיצבו מדעני מוח ממשק מחשב מכונה (ממ"מ) שמאפשר לאותות עצביים להזיז סמן מחשב או להפעיל תותבים. הטכנולוגיה התקדמה לאט, מכיוון שתרגום אותות חשמליים הנורים מתאי עצב והפיכתם לפקודות הדרושות כדי לשחק במחשב או להזיז זרוע רובוטית הוא תהליך מורכב מאוד.
קבוצת חוקרים מקאלטק ניסתה לקדם את פיתוח התותב העצבי על ידי ציתות לתהליכים עצביים מפותחים – הכוונה להתחיל בפעולה – והעברת האותות החשמליים הרלוונטיים לזרוע רובוטית. במקום לשלוח אותות מהקליפה המוטורית כדי להזיז זרוע, כפי שניסו לעשות במעבדות אחרות, החוקרים הניחו אלקטרודות על האונה הקודקודית האחורית, שמעבירה לתותב את כוונת המוח לבצע פעולה.
פענוח האותות העצביים מציב עדיין אתגר לפני מדעני מוח. אבל נראה שהשימוש באותות ממ"מ מהאונה הקודקודית האחורית, שנמצאת בראש שרשרת הפקודות המחשבתיות, מאפשר שליטה מהירה וגמישה יותר בטכנולוגיית התותבים.

לעיתים קרובות שואלים אותנו כמה זמן נדרש ללמוד להשתמש בממ"מ. למעשה הטכנולוגיה עבדה כבר "מהקופסה". היה אינטואיטיבי וקל להשתמש באותות הכוונה של המוח כדי לשלוט על הזרוע הרובוטית. כשסורטו דמיין פעולות, הוא היה יכול לצפות בתיעוד פעילותם של תאי עצב יחידים מקליפת המוח שלו ולהדליק או לכבות אותם כרצונו.

בתחילת המחקר אנו שואלים את המשתתפים מה הם היו רוצים שהשליטה ברובוט תאפשר להם להשיג. סורטו רצה להצליח לשתות בירה לבד, בלי לבקש עזרה מאף אחד. הוא הגשים את המשימה הזאת בערך שנה אחרי תחילת המחקר. יחד עם צוות בהובלה משותפת עם החוקר ספנסר קליס (Kellis) מקאלטק, ובעזרת צוות של רובוטיקאים מהמעבדה לפיזיקה יישומית באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, שילבנו את אותות הכוונה של סורטו עם כוח העיבוד שהושג מראייה ממוחשבת וטכנולוגיה רובוטית חכמה.

אלגוריתם הראייה מנתח קלט שמגיע ממצלמות וידאו, והרובוט החכם משלב את אותות הכוונה עם אלגוריתמים ממוחשבים כדי ליזום את תנועת הזרוע הרובוטית. סורטו הגשים את המטרה כעבור שנה, לקול קריאות עידוד ושמחה מכל הנוכחים. ב-2015 פרסמנו בכתב העת Science את הממצאים הראשוניים של השימוש באותות כוונה מהאק"א לשליטה בתותבים עצביים.

לקרוא ולכתוב את המוח | אילוסטרציה: Science Photo Library

סורטו אינו היחיד שנעזר בטכנולוגיה שלנו. ננסי סמית', שמשתתפת במחקר זו השנה הרביעית, נהייתה משותקת בארבע גפיים בעקבות תאונת דרכים לפני עשר שנים בערך. לפני כן היא לימדה גרפיקה ממוחשבת בתיכון וניגנה על פסנתר להנאתה.

במחקרינו עם חברי הצוות המובילים טייסון אפללו (Aflalo) מקאלטק ונאדר פּוּראטיאן (Pouratian) מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, מצאנו ייצוג מפורט של כל אחת מאצבעות שתי הידיים באק"א של סמית'. באמצעות מציאות מדומה היא יכלה לדמיין שהיא מזיזה כל אחת מעשר האצבעות בנפרד בידי אווטאר של ידיים ימניות או שמאליות שהוצגו על מסך מחשב. באמצעות תנועה מדומיינת של חמש אצבעות של יד אחת הצליחה סמית' לנגן מנגינות פשוטות על קלידי פסנתר ממוחשבים.

איך המוח מייצג מטרות?

היינו להוטים לעבוד עם החולים האלה כדי למצוא תאי עצב שמכוונים לעבד אותות הקשורים לרצונות אנושיים. היקף המידע שאפשר ללקט מכמה מאות תאי עצב בלבד היה מדהים. יכולנו לפענח טווח של פעילות מחשבתית, כולל תכנון מנטלי (תנועה מדומיינת לעומת ניסיון תנועה ממשי), תנועת אצבעות, החלטה לגבי אחזור זיכרון של גירוי חזותי, תנוחות הידיים כשתופסים משהופעולות נצפות, פעלי פעולה לשוניים כמו "לתפוס" או "לדחוף", וחישובים מתמטיים. להפתעתנו, די היה בכמה מערכי אלקטרודות קטנים כדי לאפשר לנו לפענח רבות מכוונותיו של האדם.

השאלה כמה מידע אפשר לתעד מפיסת מוח קטנה הזכירה לי בעיה מדעית דומה שנתקלתי בה בתחילת הקריירה שלי. במהלך ההכשרה שעברתי במהלך הפוסט-דוקטורט שלי עם ורנון מאונטקסל (Mountcastle) מבית הספר לרפואה ג'ונס הופקינס, בחנו איך המרחב הויזואלי מיוצג באק"א של קופים. העיניים שלנו שקולות למצלמה, עם רשתיות רגישות לאור ששולחות אותות על מקומו של גירוי חזותי בתמונה שנוצרת עליהן – התמונה כולה נקראת מפת רשתית.

תאי עצב מגיבים לאזורים מוגבלים על הרשתית, שנקראים שדות קליטה. עיבוד של תפיסה חזותית ויזואלית שונה מתיעוד במצלמת וידאו. כשמצלמת וידאו נעה מסביב, גם התמונה המתועדת נעה, אבל כשאנו מזיזים את עינינו העולם נראה יציב. תמונת הרשתית שמגיעה מהעיניים חייבת להפוך לייצוג חזותי של המרחב, שלוקח בחשבון לאן העיניים מסתכלות, כך שכאשר הן נעות איננו מרגישים כאילו העולם מחליק סביבנו.

האק"א הוא מרכז עיבוד מרכזי לייצוג מרחב חזותי מתקדם. כדי להושיט יד ולתפוס חפץ, המוח צריך לקחת בחשבון לאן העיניים מסתכלות במעקב אחריו. בני אדם שהאק"א שלהם נפגע נוטים לא לדייק כשהם מושיטים את ידם. במעבדה של מאונטקאסל מצאנו שלכל תא עצב באק"א יש שדה קליטה שרושם חלקים מהתמונה. אותם תאים גם נושאים מידע על תנוחת העין. שני האותות מתקשרים על ידי הכפלה של התגובה החזותית בתנוחת העיניים בראש – המכפלה הזאת נקראת שדה הגברה.

כיסא גלגלים מופעל בכוח המחשבה | צילום: Science Photo Library

המשכתי לחקור את בעיית ההבנה איך המוח מייצג את המרחב כשהתמניתי לראשונה למרצה במכון סאלק למחקר ביולוגי, בדיוק מול אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. בעבודתי עם דיוויד זיפסטר (Zipster), חוקר מוח תיאורטיקן מאוניברסיטת סן דייגו, שמפתח רשתות עצביות, דיווחנו בכתב העת Nature על מודל חישובי של רשת עצבית שמשלבת מיקומי רשתית עם כיוון מבט, ליצירת מפות שאינן משתנות כשהעיניים נעות. במהלך תרגול הרשתות העצביות, השכבות האמצעיות שלהן פיתחו שדות הגברה, בדיוק כמו בניסויים של האק"א. כשהאותות של הקלט החזותי ושל תנוחת העין מתערבבים באותם תאי עצב, די בכמות זעומה של תשעה תאי עצב בלבד כדי לייצג את שדה הראייה כולו.

הרעיון של ייצוגים מעורבבים – אוכלוסיות תאי עצב שמגיבים למשתנים רבים (כמו שקורה בשדות הגברה) – עורר לאחרונה תשומת לב מחודשת. לדוגמה, תיעוד של פעילות בקליפת האונה הקדמית מראה ערבוב של שני סוגי משימות זיכרון ושל עצמים מזותיים שונים.

בנוסף, המחקר בתחום עשוי להיות קשור ישירות להסבר על מה שמתרחש באק"א. גילינו את זה כשביקשנו מסמית', באמצעות מערכת הוראות כתובות, לבצע שמונה שילובים שונים של משימה כלשהי. אחת המשימות חייבה לתכנן דרך לדמיין פעולה או לנסות אותה. אחרת דרשה שימוש בצד ימין או שמאל של הגוף; שלישית דרשה ללחוץ יד או למשוך בכתף. גילינו שתאי עצב באק"א ערבבו את כל המשתנים – והערבוב הציג תבנית מסויימת, בשונה מהתקשורת האקראית שאנו ואחרים דיווחנו עליה בניסויים על חיות מעבדה.

הפעילות של אוכלוסיות של תאי עצב לתכנון ולשליטה על כל צד של הגוף נוטה להיות חופפת לצד השני. אם תא עצב יורה אותות כדי ליזום את התנועה של יד שמאל, הוא יגיב כנראה גם לניסיון תנועה של יד ימין, בשעה שקבוצות תאי עצב ששולטות בכתף או ביד הן נפרדות יותר זו מזו. לצורת ייצוג כזו אנו קוראים בררנות מעורבת חלקית.

מצאנו מאז דמיון בייצוגים מעורבים חלקית שבונים כנראה סמנטיקה של תנועה. הפעילות של תאים שונים שמכוונים לאותו סוג פעולה נוטה לחפוף. תא עצב שמגיב לסרטון של אדם התופס חפץ יהיה כנראה פעיל כשאדם יקרא את המילה "לתפוס". אבל תאים שמגיבים לפעולה כמו דחיפה נוטים היפרד לקבוצות משלהם. ככלל, קידוד מעורבב חלקית הור כנראה הבסיס לחישובים דומים (תנועות יד שמאל דומות לאלו של הימנית). זה גם מה שמבדיל בין אלה שמציגים צורות שונות של פעילות עיבוד עצבי (תנועת הכתף שונה מתנועת היד).

קידוד מעורב או מעורב חלקית נמצא בחלקים מסוימים של אזורי האסוציאציה בקליפת המוח – ומחקרים חדשים יצטרכו לחקור אם הם קיימים גם באזורים אחרים ששולטים על השפה, זיהוי עצמים ובקרת ניהול. בנוסף, נרצה לדעת אם אזורי חישה או מוטוריקה עיקריים משתמשים במבנה מעורב חלקית מסוג דומה.

מטרה נוספת לעתיד הקרוב היא לגלות עד כמה הלימוד של משימות חדשות יכול להשפיע על ביצועי המתנדבים המשתמשים בתותבים. אם הלימוד פשוט, אפשר להשתיל אלקטרודות בכל אזור במוח ולאמן אותו לכל משימת ממ"מ שתעלה על דעתנו. שתל בקליפת הראייה העיקרית יוכל ללמוד לשלוט במשימות שאינן לא קשורות לראייה. אבל אם הלימוד מוגבל יותר, אזי שתל שיותקן למשל באזור תנועתי אפשר לאמן רק למשימות מוטוריות. ממצאים ראשוניים מעידים שהשתל יצטרך להיות באזור שכבר זיהו בעבר את השליטה שלו על פעילויות חשיבה מסוימות.

כתיבה של תחושות

ממ"מ לא יכול רק לקבל אותות מוחיים ולעבד אותם – הוא חייב גם לשלוח משוב מהתותב למוח. כשאנחנו מבקשים להרים חפץ, משוב חזותי עוזר לנו לכוון את היד למטרה. תנוחת היד תלויה בצורת החפץ שצריך לתפוס. אם היד לא מקבלת אותות על המגע ועל מקום החפץ כשהיא מתחילה לטפל בו, יכולתנו לאחוז בו תידרדר במהירות.

עבורהמתנדבים פגועי עמוד השדרה שלנו, שאינם יכולים להזיז את גופם מתחת למקום הפגיעה, חיוני למצוא דרך לתקן את החסר הזה. הם גם לא מרגישים תחושות של מישוש או של תנוחת גופם, שחיוניות לביצוע תנועות חלקות. תותב עצבי אידיאלי, אם כן, חייב לפצות על כך באמצעות אות דו-כיווני: הוא חייב לשדר את כוונות המתנדב, ובה בעת גם לזהות מידע על המגע והתנוחה שיגיע מחיישנים על גבי הזרוע הרובוטית.

סריקת מוח | צילום: שאטרסטוק

רוברט גאונט (Gaunt) ועמיתיו מאוניברסיטת פיטסבורג בחנו את הנושא על ידי השתלת מערכי מיקרואלקטרודות בקליפת המוח הסומטוסנסורית (תחושתית) של אדם משותק בארבע גפיים – האזור במוח שמשלב קלט מהגפיים עם תחושות של מגע. במעבדתו שלחו זרמים חשמליים חלשים דרך המיקרואלקטרודות, והנבדק דיווח על תחושות על פני שטח היד שלו.

גם אנו השתמשנו בשתלים דומים באזור הזרוע של הקליפה הסומטוסנסורית. להפתעתנו ולשמחתנו, הנבדק, פ"ג, דיווח על תחושות טבעיות כמו לחץ, הקשה ורעידות על העור, המוכרות כתחושות עוריות. הוא גם חש שהזרוע נעה – תחושה הנקראת קולטן תנוחה (פרופריוספציה).

הניסויים האלה ממחישים שאנשים שאיבדו את התחושה בגפיים יכולים לזכות בה מחדש דרך תחושות שמשגר הממ"מ. השלב הבא יהיה להשתמש בידיים רובוטיות מצופות חיישנים כדי לבדוק אם משוב סומטוסנסורי משפר את הגמישות של הפעולה הרובוטית הנשלטת בידי המוח. בנוסף, אנו נרצה לדעת אם הנבדקים חשים תחושת "עצמי", שבה הזרוע הרובוטית נדמית להם כמו חלק מגופם.

אתגר גדול נוסף הוא פיתוח אלקטרודות טובות יותר לשליחת אותות עצביים וקליטתם. גילינו שהשתלים פעילים תקופה ארוכה למדי, של חמש שנים. אבל אלקטרודות טובות יותר יאריכו את משך חייהן של המערכות האלה ויגדילו את מספר תאי העצב שאפשר לתעד את פעילותם. עדיפות נוספת – הגדלת האורך של קצוות האלקטרודות – תסייע להגיע לאזורים שנמצאים בתוך הקפלים של קליפת המוח.

אלקטרודות גמישות, שינועו עם התנודות העדינות של המוח, כגון שינויים בלחץ הדם או מחזור הנשימה הטבעי – יעזרו לשפר את יציבות התיעוד. האלקטרודות הקיימות כיום דורשות לכייל את מכשיר הפענוח שלהן, שכן אלקטרודות קשיחות משנות באופן יומיומי את מקומן ביחס לתאי העצב. בסופו של דבר חוקרים ירצו לעקוב אחרי הפעילות של אותם תאי עצב במשך שבועות ואפילו חודשים.

השתלים צריכים להיות קטנים יותר, לפעול בהספק נמוך (כדי לא לחמם את המוח), ולפעול בצורת אלחוטית כדי שלא נצטרך חוטים שיחברו את המכשיר לרקמת המוח. את כל טכנולוגיית הממ"מ הנוכחית חייבים להשתיל בניתוח. אבל בבוא היום, אנו מקווים, ממשקי הקלטות וגירויים יפותחו כך שיקבלו אותות וישלחו אותם דרך הגולגולת בלי ליפול בהצלחתם לעומת מערכי השתלים המותקנים בניתוח.

ממ"מים, כמובן, מיועדים לעזור למשותקים. אולם בספרי מדע בדיוני, בסרטים ובתקשורת ההמונים מתמקדים בשימוש בטכנולוגיה דווקא להגברה, במטרה ליצור יכולות על-אנושיות שיאפשרו לאדם לרוץ מהר יותר ולקפוץ גבוה יותר. אבל ההגברה תושג רק כשיפותחו טכנולוגיות לא פולשניות שיוכלו לזהות בדיוק רב את פעילותם של תאי עצב בודדים.

לבסוף, אני רוצה להביע את הסיפוק הטמון בעבודת מחקר בסיסי והנגשתו לחולים. המדע הבסיסי דרוש לקידום הידע וגם לפיתוח טיפולים רפואיים. היכולת להעביר את הממצאים למרפאה מאפשרת לממש את המאמץ המדעי. המדען נותר עם תחושת מימוש עצמי בלתי מעורערת כשהוא מוצא את עצמו שותף לאושרם של החולים מכך שהם יכולים להזיז זרוע רובוטית ולפעול מחדש בעולם הגשמי.

תרגם: ד"ר גל חיימוביץ'

פורסם במקור בגיליון אפריל 2019 של Scientific American

לקריאה נוספת

  • Reach and Grasp by People with Tetraplegia Using a Neurally Controlled Robotic Arm. Leigh R. Hochberg et al. in Nature, Vol. 485, pages 372–375; May 17, 2012.
  • High-Performance Neuroprosthetic Control by an Individual with Tetraplegia. Jennifer L. Collinger et al. in Lancet, Vol. 381, pages 557–564; February 16, 2013.
  • Decoding Motor Imagery from the Posterior Parietal Cortex of a Tetraplegic Human. Tyson Aflalo et al. in Science, Vol. 348, pages 906–910; May 22, 2015.
  • Intracortical Microstimulation of Human Somatosensory Cortex. Sharlene N. Flesher et al. in Science Translational Medicine, Vol. 8, No. 361, Article No. 361ra141; October 19, 2016.
  • Proprioceptive and Cutaneous Sensations in Humans Elicited by Intracortical Microstimulation. Michelle Armenta Salas et al. in eLife, Vol. 7, Article No. e32904; April 10, 2018.

מארכיון סיינטיפיק אמריקן