רכיבים חשמליים מתאי עצב

חוקרים במכוני החיזוי המדעי-טכנולוגי עמלים על זיהוי מגמות שונות בתחומי המדע והחברה כאחד, במטרה לכוון אנשים וארגונים לעיסוקים שיאפיינו את העתיד. ייתכן שמחקר חדש של פרופ' אלישע מוזס ותלמידי המחקר (דאז) ד"ר עפר פיינרמן וד"ר אסף רותם מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, עשוי להצביע על תחום עיסוק שיפרח בעתיד: מעצב עצבים.

הנוירונים הם תאים מורכבים. במוח הם יוצרים מספר רב מאוד של קישורים לתאים אחרים, דבר שמאפשר להם לבצע חישובים מורכבים. לעומת זאת, כאשר מגדלים אותם בתרבית, הם "מאבדים את חוכמתם". התיפקוד שלהם נעשה פרימיטיבי למדי. מה משתבש כשמגדלים את הנוירונים בתרביות? האם, וכיצד אפשר להחזיר להם לפחות חלק מיכולותיהם המקוריות, ולשפר את תיפקודם בתרבית? השאלות האלה מעסיקות מדענים רבים במקומות שונים בעולם.

פרופ' מוזס, ד"ר פיינרמן וד"ר רותם החליטו לבחון את האפשרות לשפר את תיפקוד הנוירונים באמצעות עיצוב המבנה שבו הם מורשים לגדול. כפיסיקאים, המורגלים בעבודה עם מודלים מפושטים, הם החליטו להצטמצם במבנה חד-ממדי: קו אחד המוגדר, בשיטות ליטוגרפיות, על-גבי לוח זכוכית. כשהנוירונים החלו לגדול לאורך הקו ה"מותר", הצליחו המדענים – לראשונה בעולם - לעורר אותם באמצעות שדה מגנטי (עד כה הצליחו לעורר נוירונים בתרבית רק באמצעות שדות חשמליים).

בשלב השני בחנו המדענים את השפעת "רוחב הפס" של קו הגדילה על יכולתם של הנוירונים להעביר אותות. הם בחנו את התנהגות הנוירונים שגדלו לאורך קווים בעלי רוחב שונה ומצאו שקו דק יחסית, שלאורכו יכולים לגדול כ-100 אקסונים (השלוחות הארוכות של הנוירונים), יוצר מצב סף, של סיכוי לא ודאי להעברת אות. כדי שהתא הקולט ישגר אות חשמלי הוא צריך לקלוט מנה מסוימת של אותות עצביים. המדענים מצאו שכמות גדולה של נוירונים (כמה מאות) המתחברים לתא הקולט מבטיחה את תגובתו. לעומת זאת, כמות קטנה מאוד של נוירונים (תאים בודדים) תגרום לתגובה רק לעתים רחוקות מאוד. בתהליך המחקר התברר ש-100 נוירונים היא כמות הסף שלעתים גורמת תגובה ולעתים לא – אבל תוספת קטנה לכמות זו כבר יוצרת סיכוי גבוה מאוד לתגובה.

ממצא זה הוביל את המדענים ליצירת שער לוגי חשמלי-עצבי המבוסס על שני קווים דקים, שלאורך כל אחד מהם גדלים כ-100 אקסונים. שני ה"חוטים" האלה מתחברים לתא עצב אחד. כך, כאשר מוזרם אות עצבי ב"חוט" אחד, אין ודאות לתגובת התא הקולט. אבל הזרמת אותות מתואמת בשני החוטים יחד כבר מבטיחה את תגובתו. מבנה זה יוצר שער לוגי הידוע בשם שער AND.

בהמשך יצרו המדענים מבנה של קווים ישרים שיצרו משולשים שקודקוד כל אחד מהם משיק לאחת מצלעות המשולש הבא בתור (ראו תרשים). מבנה לא סימטרי זה מאלץ את הנוירונים להתפתח ולפעול בכיוון אחד. בשלב הבא השתמשו המדענים במספר מבנים כאלה ליצירת מעגל סגור, שהאותות העצביים הנעים בו יוצרים מעין שעון, או, ליתר דיוק, קוצב ביולוגי.

פרופ' מוזס:"במחקר זה למדנו להשתמש בנוירונים לבניית יחידות חישוב מהימנות. בעלי-חיים פשוטים נאלצים להשתמש בעצבים בודדים לביצוע מטלות חישוב מורכבות למדי. הנוירונים המתוחכמים שלנו הם בעלי יכולת תגובה (ואמינות) משתנה ולכן אנו נזקקים לכמויות גדולות בהרבה של תאי עצב. נראה שהתיחכום מביא אתו גם סיכויים לשגיאות, והכמות הגדולה של התאים נדרשת כדי להימנע מהכישלונות ולייצר מנעד רחב ומגוון של תגובות אפשריות. השאלה שמעסיקה אותנו היא מה אפשר להוסיף לתאי עצב בתרבית כדי לבצע באמצעותם חישוב מורכב. תשובה על השאלה הזאת תאפשר לנו להסיק מה התנאים הנדרשים ליצירת 'מחשבה' במבנה שכולל  נוירונים רבים".

ד"ר רותם: "מעגלים חשמליים המבוססים על נוירונים הם אטיים בהרבה ממעגלים אלקטרוניים הקיימים כיום. אבל מצד שני הם עשויים להציע תכונות חשובות, כמו מקביליות".

מחקר זה עשוי לתרום תרומה חשובה להבנת עקרונות הפעולה הבסיסיים של המוח. בחזון ארוך טווח יותר עשויה השיטה הזאת של עיצוב ובניית מבנים עצביים, לסייע בפיתוח חיבורים וגשרים ביולוגיים שיחברו את מוח האדם למערכות מלאכותיות שונות.