חדשות

פיענוח מסתרי המוח: התגלו נוירוני ההצלחה והכישלון בלמידה מוטורית

מחקר בינתחומי בטכניון, שעסק במיפוי המנגנון המוחי של למידה מוטורית, עשוי להוביל לפיתוח טיפולים חדשים במחלות מוח

פרופ' ג'קי שילר, הפקולטה לרפואה בטכניון. "צעד ראשון וחשוב בהבנת המתרחש בקליפת המוח בעת למידה באמצעות חיזוקים". צילום: ניצן זוהר

ממצאי מחקר בינתחומי הנעשה בטכניון לשם מיפוי המנגנון המוחי של למידה מוטורית ומיומנויות כמו צעדי ריקוד, קליעה לסל, חבטה בכדור וכתיבה באמצעות מה שמכונה Reinforcement Learning, עשויים להוביל לפיתוח טיפולים חדשים במחלות מוח. דו"ח מחקר בנושא זה, המבוסס על ניסוי בחיית מעבדה, פורסם בחודש שעבר ב- Neuron

למידה באמצעות חיזוקים - Reinforcement Learning - מבוססת על משובים חיוביים ושליליים המאפשרים שיפור מתמיד. זהו מנגנון הישרדותי חשוב שהתפתח ביונקים במהלך האבולוציה. עתה הוא מהווה השראה למהנדסים היוצרים כך מערכות מלאכותיות לומדות, המשפרות את ביצועיהן באופן אוטומטי על סמך המשוב שהן מקבלות על פעולות קודמות שלהן.

הצוות הבינתחומי, שכלל חוקרים מהפקולטה לרפואה והפקולטה להנדסת חשמל, חקר את התהליך המוחי המתרחש בבעלי חיים בלמידה באמצעות חיזוקים. הובילו את העבודה הזאת: פרופ' ג'קי שילר, פרופ' עמרי ברק והדוקטורנטים שחר לוי ומריה לבזין (רפואה) ופרופ' רונן טלמון ופרופ' רון מאיר (הנדסת חשמל) וכן ד"ר הדס בן איסטי, פוסט-דוקטורנטית, בהנחיה משותפת של פרופ' שילר ופרופ' טלמון.

החוקרים הצליחו למפות מנגנון של משוב מוחי המסייע ליונקים לשפר מיומנויות בפעולות מוטוריות המצריכות תנועות ידיים עדינות ומורכבות. באמצעות דימות וכלים גנטיים, התנהגותיים וחישוביים, נחקרו המנגנונים המוחיים המאפשרים לעכבר, למשל, ללמוד תנועה מורכבת בגפה קדמית.

לפני העכבר הונחו פיסות מזון על מגש מסתובב. העכבר נדרש ללמוד לתפוס אותן ולהביאן לפיו כדי לאכול, בדומה לילד קטן הלומד לאכול בידיים. כדי לרכוש מיומנות זו נדרשת למידה של תנועה מורכבת. העכבר מצליח רק בכדי מחצית מהנסיונות גם לאחר שנהיה "מומחה". החוקרים גילו כי תהליך הלמידה, המאפשר לעכבר לשפר את תנועות הידיים שלו מניסיון לניסיון, קשור לתיעוד של הצלחות וכשלונות. לתיעוד זה אחראיות שתי אוכלוסיות נוירונים שונות וייחודיות השוכנות בקליפת המוח המוטורית. הן כונו: "נוירוני הצלחה" ו"נוירוני כישלון".

פרופ' שילר: "נוירוני ההצלחה והכישלון אינם מתעדים כל תנועה בנפרד וגם לא את התגמול עצמו (האוכל), אלא הם משקללים את מכלול הפעולה וזוכרים אם בעל החיים הצליח או נכשל בהשגת המטרה (end result) – במקרה זה מדובר בהשגת מזון. אלא שממצאי המחקר מצביעים על כך שהפעולה החישובית שהנוירונים האמורים מבצעים היא פעולה מורכבת המשקפת ייצוג מנטלי גבוה ולא רק ייצוג של התנועה או של התגמול לבדם".

החוקרים דיווח כי גילו שנסיונותיו של העכבר ללמוד תנועה חדשה (motor learning) מטביעים במוחו "עקבות" של כישלון והצלחה. אלו מצטברות לכדי זיכרון מוטורי המאפשר לו להשתפר מניסיון לניסיון. הפעילות המוחית של הצלחה וכישלון מתרחשת בשכבות השונות של קליפת המוח, הקורטקס. תחילה היא מחושבת בשכבה החיצונית יותר של קליפת המוח המוטורית, נשמרת ומועברת לרשת העצבית שבשכבות העמוקות יותר של קליפת המוח, שם "מנוסחות" פקודות התנועה הבאה.

גילוים של "נוירוני ההצלחה והכישלון", סבורים מחברי דו"ח המחקר, הוא צעד ראשון וחשוב בהבנת המתרחש בקליפת המוח בעת למידה באמצעות חיזוקים. עם זאת, עדיין רב הנסתר על הגלוי. "בעתיד נרצה לגלות לדוגמה, מהם המסלולים המוחיים המשתתפים בהפעלת תאים אלה וכיצד אפשר להשתמש באותות הללו, בשילוב עם ממשקי מכונה-מוח, לשיפור התנועה בחולים, לדוגמה חולי פרקינסון."

בשל מורכבותם של יחסי הגומלין בין תנועה לבין פעילות מוחית, הצריך המחקר שילוב בין שיטות ניסוי שונות בעת ובעונה אחת. אלו כללו: מניפולציות התנהגותיות, משימות מורכבות של כף היד, מיפוי הסידן בתאים והתערבות אופטוגנטית - הפעלה או דיכוי של תאי המוח על ידי אור.

לשם כך חבר אנשי הצוות מהפקולטה לרפואה, שהובילו את הצד הניסויי, לעמיתיהם מהפקולטה להנדסת חשמל שהובילו את הצד החישובי. במשימה השתתף גם פרופ' אדם הנטמן ממכון הווארד יוז בארה"ב, שם שהתה פרופ' שילר יחד עם תלמידתה ד"ר מריה לבזין והגתה את הפרויקט.

נושאים קשורים:  פעילות מוחית,  מוטוריקה,  קליפת המוח,  מחלות ניווניות של המוח,  מחקר,  הטכניון,  פרופ' ג'קי שילר,  פרופ' עמרי ברק,  מחקר ישראלי,  חדשות
תגובות