חולדה וירטואלית במעבדה

כיצד שולט המוח בתנועות הגוף? גם לאחר שנים רבות של מחקר, מדעי המוח עדיין לא פענחו את החידה הזאת במלואה. במחקר חדש פיתחו חוקרים מאוניברסיטת הארוורד, בשיתוף חוקרים מקבוצת DeepMind של גוגל, מכרסם וירטואלי שמדמה התנהגות טבעית של מכרסמים בשר ודם. במכרסם הווירטואלי שולט מוח וירטואלי נפרד, והחוקרים מקווים שהבנה של פעילותו תוביל לתובנות חדשות על פעילות המוח שלנו בזמן תנועה.

מוח וירטואלי בגוף וירטואלי

בשלב הראשון של המחקר, החוקרים צילמו בשש מצלמות במקביל תנועה חופשית של חולדות אמיתיות. התצלומים שימשו כדי לתכנן "מכרסם וירטואלי", בשאיפה שתנועותיו יהיו דומות לתנועות החולדות הממשיות. המכרסם הווירטואלי נבנה ב"סימולטור פיזיקלי", שמדמה את חוקי הפיזיקה בעולם האמיתי, כמו כוחות הכבידה והחיכוך שמשפיעים על בעלי חיים אמיתיים בפעילותם היומיומית. בתוך ההדמיה הציבו החוקרים לחולדה כל מיני אתגרים, כמו קפיצה מעל רווחים ברצפה, ניווט בסביבה הררית ולכידת מטרות, בדומה למשחק מחשב.

בשלב השני, החוקרים פיתחו "מוח מלאכותי" שישלוט בחולדה הווירטואלית ויקבע עבורה מתי ואיך לנוע. המוח בנוי מ"רשת נוירונים" מלאכותית, סוג של מודל מתמטי לבניית תוכנות מחשב שנפוץ בטכנולוגיה של בינה מלאכותית. רשתות אלו בנויות בהשראת החיבורים בין תאי עצב אמיתיים במוח, אם כי בדיעבד ברור שהן בנויות באופן פשטני מדי. מטרת המחקר הנוכחי הייתה לבדוק אם רשת הנוירונים תוכל לשלוט בחולדה הווירטואלית ולהניע אותה בדומה לחולדה אמיתית. אם המטרה הזאת תושג, החוקרים מקווים להבין איך מצליחה רשת הנוירונים במשימה כל כך מורכבת, והאם ניתן ללמוד מכך משהו על הדרך שבה המוח האנושי שולט בתנועותינו ובהתנהגות שלנו.

החוקרים פיתחו "מוח מלאכותי" שישלוט בחולדה הווירטואלית ויקבע עבורה מתי ואיך לנוע. רשת תאי עצב | nobeastsofierce, Shutterstock

שליטה בתנועה

קשה לתפוס עד כמה מתוחכם מנגנון השליטה התנועתי שלנו, ואיזו מורכבות נדרשת ממנו אפילו בביצוע תנועות פשוטות. כשאנחנו רוצים להושיט את היד כדי להרים כוס מים, אנו חושבים במודע על המטרה הסופית של התנועה בלבד. אך "מאחורי הקלעים", המוח שלנו צריך לחשב את המרחק של היד מהכוס ואת הדרך הקצרה ביותר להגיע אליה, להעריך את משקלה ולהיות ערוך להתמודדות עם מכשולים או עם שינויים פתאומיים שעלולים לצוץ בדרך. כל זה קורה במהירות הבזק, כמעט בלי שנהיה מודעים לכך. אז איך מלמדים מוח מלאכותי להניע חיה וירטואלית באותה טבעיות וגמישות של חיות אמיתיות?

החוקרים הזינו אל רשת הנוירונים מגוון פעילויות שנצפו אצל החולדות במעבדה, וכיוונו את המוח הווירטואלי לחקות את התנועות שמעורבות בהן. שיטה זו נקראת "למידת חיזוק" (Reinforcement Learning), והרעיון הוא שככל שתנועות החולדה הווירטואלית יותר דומות לחולדה האמיתית, נותנים למערכת יותר "חיזוקים" – שמאותתים לה שהיא בכיוון הנכון. בסיום השלב הזה המוח הווירטואלי למד אילו פקודות עליו לתת לחולדה הווירטואלית לצורך ביצוע פעולות מסוימות – כמו הליכה, ריצה, ישיבה והושטת גף. אחד הדברים המרשימים במחקר הוא שרשת הנוירונים הצליחה לייצר התנהגויות חדשות, שלא נחשפה אליהן בשלב האימון. ההישג הזה מצביע על יכולות גמישות והכללה שפיתחה רשת הנוירונים, יכולות חשובות מאוד עבור בעלי חיים ממשיים, ומאפשרות להם להתמודד עם שלל סיטואציות מאתגרות בעולם – גם כאלה שלא חוו קודם.

חוקרים הזינו אל רשת הנוירונים מגוון פעילויות שנצפו אצל החולדות במעבדה, וכיוונו את המוח הווירטואלי לחקות את תנועותיהן. חולדה מכנית יצירת הבינה המלאכותית | גליה שדה באמצעות DALL-E

חלון אל המוח

בשלב האחרון של המחקר, השוו החוקרים בין פעילות רשת הנוירונים לפעילות המוחית של החולדות האמיתיות. מטרתם הייתה להבין טוב יותר כיצד שולט המוח בתנועות הגוף בצורה חלקה וגמישה. החוקרים החדירו מערך של אלקטרודות למוחותיהן של החולדות האמיתיות (אלה שתועדו בשלב הראשון), והקליטו את הפעילות החשמלית של תאי העצב תוך כדי תנועה. אצל שלוש חולדות הוקלטה פעילות מוחית מאזור הסטריאטום, ואצל שלוש אחרות היא נצפתה באזור קליפת המוח התנועתית. שני האזורים האלה מעורבים בתכנון תנועות ובביצוען. קליפת המוח התנועתית מניעה את השרירים דרך תאי עצב מוטוריים בחוט השדרה, שמעבירים את הפקודה לשרירים. הסטריאטום משפיע על תנועות הגוף באופן מורכב יותר. זהו מבנה שמשלב סוגי מידע שונים, כולל תוכניות תנועה ומידע חושי מקליפת המוח, ומידע על תגמולים אפשריים בסביבה ממערכת התגמול. כל אלה משמשים לכוונון הפקודות שהמוח שולח אל השרירים, ולהטייתן לכיוון השגת גמול.

כשהפעילות המוחית שהוקלטה אצל החולדות החיות הושוותה לפעילות של רשת הנוירונים המלאכותית, נמצא שהשתיים דומות מאוד: בשני המקרים נצפה ייצוג לפעולה שנדרשת כדי להביא את החולדה למצב הרצוי, תוך התחשבות במצבה הנוכחי. החוקרים פירשו זאת כעדות לכך שרשת הנוירונים מצאה עקרונות חישוביים דומים לאלה של מוח אמיתי. 

המחקר הנוכחי יכול לסמן עליית מדרגה בתחומי הבינה המלאכותית והרובוטיקה, לכיוון רובוטים שיש להם יכולות תנועה מורכבות וגמישוּת מספקת כדי להתגבר על אתגרים חדשים, שלא נתקלו בהם קודם. החוקרים מקווים שמחקרים מהסוג הזה יספקו גם תובנות חדשות על שליטת המוח בתנועות שלנו.