פרוייקט המוח הכחול בניית הדמיה ממוחשבת של רשתות עצביות במוח

קבוצת המחקר
ראש הפרויקט: פרופ' הנרי מרקרם, מכון EPFL, לוזאן, שוייץ
ישראל: פרופ' עידן שגב, שאול דרוקמן, אלברט גדעון ועמיתים
המרכז הבין-תחומי לחישוביות עצבית, האוניברסיטה העברית, ירושלים
שווייץ: ד"ר פליקס שוארמן, ד"ר שון היל ועמיתים, מכון EPFL, לוזאן

רקע
במוח נמצאים כ-1011 נוירונים (תאי עצב). אילו כל אדם שחי היום על פני כדור הארץ היה מוליד מאה ילדים, היו בעולם בני אדם כמספר הנוירונים בתוך מוח אחד! קליפת המוח (הקוֹרטֶקס) - אותה רקמה מפותלת ודקה (כ-2 מ"מ עובייה) אשר מצויה מתחת לגולגולת, אחראית על התפקודים הגבוהים במוח, והיא מפותחת ביותר אצל יונקים מתקדמים. עדויות ניסיוניות מראות כי קליפת המוח מאורגנת במעין רשת של עמודות (כל אחת בנפח של כמילימטר מעוקב), כשבכל עמודה קורטיקלית כזו מצויים בין עשרת אלפים למאה אלף תאים וכמיליארד קשרים ביניהם. העדויות מצביעות גם כי לכל עמודה יש תפקיד חישובי מוגדר, כגון עיבוד המידע המגיע משערה מסוימת בשפם של חולדה או זיהוי של קו בזוית מסוימת (450, לדוגמא) במערכת הראייה. השערת מפתח כיום היא שהעמודה הקורטיקלית מהווה יחידה חישובית אוניברסלית בסיסית של קליפת-המוח.

עמודות בקליפת המוח

הגישות החישוביות בתחום חקר-המוח עוסקות, בין היתר, בעיבוד המידע ברשתות של תאי עצב. בעשורים האחרונים התקדמה מאד ההבנה באשר לדרך בה תא העצב הבודד - המעבד הבסיסי במוח - פועל את פעולתו החישובית. הדמיה מחשב של מודלים מתמטיים של תא העצב מאפשרת לחוקרים לתאר בצורה מפורטת את הפעילות החשמלית והחישובית המתבצעת בנוירון יחד.

דגם תלת מימדי של תא עצב בקליפת המוח, משוחזר מתוך מדידות מיקרוסקופיות

עם זאת, הפעילות הכוללת של רשתות עצביות גדולות תוארה עד כה בעיקר בצורה מופשטת יותר, המזניחה חלק גדול מהפרטים הביולוגיים, כגון מבנהו המפורט של התא הבודד ומיקום הקשרים הסינפטיים שעל פניו. דבר זה נבע חלקית מהיעדר המשאבים החישוביים הדרושים כדי לפתור את המשוואות המתמטיות הרבות שמעורבות בתיאור פעולת הרשת.

פרויקט "המוח הכחול" מיועד לגשר על פער זה ולהציע דרך שיטתית לבניית מודל מפורט ושלם של המוח כולו, ותחילה של עמודה קורטיקאלית אחת!

שאלות המחקר

1. האם ברשותנו מספיק ידע כדי לשחזר את הפעילות החשמלית המורכבת של רשת עצבית גדולה בקליפת המוח? אם לא, מה עוד עלינו לדעת?
2. כיצד מתבטאת פעילות הגומלין בין רכיבי הרשת השונים (כגון, סוגי התאים השונים, מבנה החיבורים ברשת, סוג החיבורים - מעוררים או מדכאים) לבין הפעילות החשמלית הכוללת של הרשת?
3. האם נוכל ליחס את ההבדלים הנצפים בין פעילות מוחית נורמלית לפתולוגית לגורמים סיבתיים ספציפיים, כגון חיבור שגוי בתוך הרשת העצבית או רגישות חשמלית מוגברת של תאים מסוג מסוים?

שיטות המחקר
בניית הדמיית מחשב מפורטת של מילימטר מעוקב בקליפת המוח של היונק מתאפשרת הודות למחשב-על מסוג IBM BlueGene/L, ובו למעלה מ-8,000 מעבדים מקבילים. כוחו החישובי העצום של מחשב זה מאפשר להריץ ביום אחד חישובים העשויים להימשך שנים אחדות במחשב שולחני רגיל. במחשב "המוח הכחול" כל מעבד אחראי לייצג באופן מתמטי את פעולתו החשמלית של נוירון יחיד, דבר המאפשר הדמיה מקבילית של רשת עצבית עם כעשרת אלפים נוירונים, המקושרים זה לזה בעשרה מיליארד סינפסות.

האתגר החישובי הישיר הוא אמנם ההדמיה של הרשת המורכבת - מעין "מסע אל עמודה קורטיקלית" , אך יצירת המודל עצמו וכיולו כך שיתאים לתוצאות הניסיוניות מהווים אתגר בפני עצמו. לצורך כך פותחה מסגרת תוכנה משולבת, המאפשרת כיול של המודלים בהתאם לתוצאות הניסיוניות באופן אוטומטי. לאחר מכן, ניתן לבצע ניסויים ממוחשבים ולהשוותם לניסויים המקוריים. כך, באמצעות השוואה בין ביצועיו של המודל הממוחשב לבין התנהגותה החשמלית של העמודה הקורטיקלית בחיה, המדענים מבינים טוב יותר כיצד העמודה מבצעת את תפקידה - מחשבת, לומדת ומייצגת את העולם סביבנו.

שחזור של עמודה בקליפת המוח

המודל
בניית המודלים נעשית על סמך נתונים שנאספו במשך למעלה מעשור במעבדות של פרופ' הנרי מרקראם ושותפיו למחקר. מדובר בעיקר ברישומים של הפעילות החשמלית של תאים בודדים בקליפת המוח הסומַטו-סנסורית (הקשורה בתחושת גוף) של חולדה, ובשחזורים תלת-מימדיים של תאים ושל הקשרים ביניהם. המערכת מאפשרת לבנות מודל של עמודה קורטיקלית אחת או יותר, להַדמות את פעילותה בתרחישים שונים, ולהמחיש את התוצאות בדרכים ויזואליות תלת-ממדיות. ניתן לתאר את הפעילות בקני-מידה שונים - מהתנהגות תעלות יוניות בודדות המצויות בקרום התא, דרך תאים בודדים וכלה בהתנהגות הכוללת של הרשת.

חשיבות המחקר
בשנים האחרונות הולך וגדל מספר המחקרים העוסקים בהבדלי הפעילות בין מוחות בריאים למוחות במצבים פתולוגים. רק לעתים רחוקות ניתן לראות הבדלים ברמה הפיזית ולרוב קשה ביותר להפריד בין הגורם העיקרי לפתולוגיה ובין השפעות נלוות ומנגנוני פיצוי. במודל, לעומת זאת, אפשר לבדוק את ההבדלים אחד לאחד, ולנסות להבהיר מהו הגורם העיקרי. יתר על כן, ניתן לבחון את ההשפעה של טיפולים פוטנציאליים על ידי הדמית השפעתם על הרשת העצבית שבמודל.

דיון ומסקנות
פרויקט "המוח הכחול" הראה כי ניתן לאחד ידע ניסויי, על מבנה הרשת ועל תכונותיה החשמליות, באמצעות מודל מחשב מפורט. ככל שמצטבר ידע ניסויי רב יותר, כך יעודכן המודל ויחקה טוב יותר את פעילות המוח. תהליך זה דורש עבודת התאמה דקדקנית של המודל לתוצאות הניסוייות. המודל גם ינבא לגבי הגורמים האחראים ברשת להתנהגות הרשת כולה, ובעקבות ניבויים אלה יערכו ניסויים חדשים וכך תושג התקדמות בהבנת פעילות המוח הבריא והחולה כאחד.

הדרך לבניית מודל שלם של המוח כולו עוד ארוכה, אך מחשבי על חדשים ההולכים ונבנים, ומאמץ ניסויי וטכנולוגי מרוכז של מעבדות רבות בעולם, יאפשרו להתקרב במהירות רבה למטרה נכספת זו.

הרחבה על…
כלי המחקר - לציוד ולאמצעים העומדים לרשות החוקרים תפקיד חשוב בקביעת אופי השאלות איתן יוכלו להתמודד. לא פעם, מעבדה בעלת ציוד מתקדם תוכל לחקור שאלות, שמעבדות עם ציוד פשוט לא יוכלו. בתחום חקר המוח, למשל, מכשירים להדמיית פעילות המוח מאפשרים "הצצה" אל המוח, שניסויים תפיסתיים אינם מאפשרים. במחקר התיאורטי, ציוד מחשוב מתקדם מאפשר לבנות הדמיות מחשב של מערכות דינמיות מורכבות, אותן לא ניתן לחקור באמצעות נייר ועיפרון או באמצעות מחשב פשוט. בפרויקטים מורכבים במיוחד, המחייבים תקציבי עתק, דרוש שיתוף פעולה של כמה מעבדות. פרויקט "המוח הכחול" הוא דוגמא לפרויקט כזה. עם זאת, ציוד מתקדם אינו ערובה להצלחה, ועל החוקרים לתכנן בחוכמה את שיטות המחקר שלהם כך שינצלו בצורה מיטבית את האמצעים העומדים לרשותם. לעתים, דווקא אמצעים מוגבלים מעודדים יצירתיות ומביאים לפריצות דרך.