אתגר בן עשרות שנים במדעי המוח נפתר על ידי רתימת אינטליגנציה מלאכותית (AI) כדי לזהות את החתימות החשמליות של סוגים שונים של תאי מוח לראשונה, כחלק ממחקר בעכברים שהובילו על ידי חוקרים מ- UCL.
המוח מורכב מסוגים רבים של נוירונים (תאי עצב במוח), שכל אחד מהם נחשב למלא תפקידים שונים במידע עיבוד. מדענים כבר מזמן הצליחו להשתמש באלקטרודות כדי לרשום את פעילותם של נוירונים על ידי איתור 'הדוקרנים' החשמליים שהם מייצרים תוך כדי ביצוע תפקודי מוח.
אף על פי שהקלטת דוקרנים הוכיחה שלא יסולא בפז לפיקוח על פעילותם של נוירונים בודדים בעומק המוח, עד כה השיטה הייתה 'עיוורת' לסוג הנוירון שנרשם – מה שמאפשר לזהות כיצד נוירונים שונים תורמים לפעולה הכללית של המוח.
במחקר חדש, שפורסם ב תָאצוות המחקר התגבר על בעיה זו על ידי זיהוי 'חתימות חשמליות' מובחנות של סוגי נוירונים שונים במוח העכבר, תוך שימוש בפולסים קצרים של אור כחול כדי לעורר דוקרנים בסוגי תאים ספציפיים (שיטה הנקראת אופוגנטיקה).
הם יצרו ספרייה של חתימות החשמל השונות עבור כל סוג של נוירון, שאיפשר להם לאמן אלגוריתם AI שיכול לזהות אוטומטית חמישה סוגים שונים של נוירונים ברמת דיוק של 95% ללא צורך נוסף בכלים גנטיים. האלגוריתם אושר גם בנתוני הקלטת מוח מקופים.
החוקרים אומרים כי הם התגברו על מכשול משמעותי בכך שהם מסוגלים להשתמש בטכנולוגיה כדי לחקור מצבים נוירולוגיים כמו אפילפסיה, אך עדיין יש "דרך ארוכה" לעבור לפני שניתן להשתמש בה ביישומים מעשיים.
במשך עשרות שנים, מדעני המוח נאבקו בבעיה הבסיסית של זיהוי אמין של סוגים רבים של נוירונים הפועלים בו זמנית במהלך ההתנהגות. הגישה שלנו מאפשרת לנו כעת לזהות סוגי עצב עם דיוק של מעל 95% בעכברים ובקופים.
התקדמות זו תאפשר לחוקרים לרשום מעגלי מוח כאשר הם מבצעים התנהגויות מורכבות כמו תנועה. בדומה לשערי לוגיקה שבב מחשב, נוירונים במוח הם יחידות מחשוב אלמנטריות המגיעות בכמה סוגים. השיטה שלנו מספקת כלי לזיהוי רבים משערי ההיגיון של המוח בפעולה בו זמנית. לפני כן ניתן היה לעשות זאת רק בזה אחר זה, ובעלות הרבה יותר גדולה. "
ד"ר מקסימה ביו, מחבר משותף של המחקר ממכון UCL וולפסון למחקר ביו-רפואי
הכותבים אומרים כי העובדה שניתן ליישם את האלגוריתם על פני מינים שונים מעניקה לו פוטנציאל עצום להרחבה לבעלי חיים אחרים, ובסופו של דבר לבני אדם.
בטווח הקצר, הטכניקה החדשה פירושה שבמקום לדרוש הנדסה גנטית מורכבת כדי ללמוד את המוח, החוקרים יכולים להשתמש בכל חיה רגילה כדי ללמוד מה נוירונים שונים עושים וכיצד הם מתקשרים זה עם זה כדי לייצר התנהגות.
אחת המטרות האולטימטיביות היא להיות מסוגל לחקור הפרעות נוירולוגיות ונוירופסיכיאטריות כמו אפילפסיה, אוטיזם ודמנציה, שרבים מהם נחשבים כרוכים בשינויים באופן שבו סוגי תאים שונים במוח מתקשרים.
פרופסור בוורלי קלארק סופר בכיר של המחקר ממכון UCL וולפסון למחקר ביו -רפואי, אמר: "בדיוק כמו הרבה כלים שונים בתזמורת תורמים לצליל של סימפוניה, המוח מסתמך על הרבה סוגים נוירונים מובחנים כדי ליצור את ההתנהגות המורכבת של בני אדם אחרים ובעלי חיים אחרים.
"היכולת להתבונן ב"סימפוניה עצבית" זו של המוח בפעולה הייתה אתגר מהותי במדעי המוח במשך למעלה ממאה שנה, וכעת יש לנו שיטה לעשות זאת באופן אמין.
"אף על פי שהטכנולוגיה היא דרך ארוכה מהיכולת לשמש לחקר מצבים נוירולוגיים כמו אפילפסיה, אנו מתגברים כעת על מכשול משמעותי כדי להגיע למטרה זו. למעשה, כמה הקלטות של פעילות מוח אנושית חיה כבר נרשמו בחולים במהלך הניתוח, וניתן להשתמש בטכניקה שלנו כדי לחקור את ההקלטות הללו כדי להבין טוב יותר את המוח שלנו, תחילה בניתוח ואז במחלה."
ההבנה המשופרת של אופן פעולת המוח שלנו יכולה לסלול את הדרך להתקדמות פורצת דרך במדע הרפואה, שחלקם כבר באופק.
ממשקי מוח למחשב אנושיים, או שתלים עצביים, הם אפשרות אחת כזו. מחקר מתמשך במכון UCSF Weill למדעי המוח, למשל, איפשר לאדם משותק לשלוט בזרוע רובוטית באמצעות שתל עצבי למשך שיא שבעה חודשים. בדומה למחקר הנוכחי, עבודה זו הודיעה גם על ידי לימוד התבניות החשמליות במוחם של בעלי חיים ושימוש ב- AI כדי לזהות אוטומטית דפוסים אלה.
הכותבים אומרים כי הטכניקה החדשה להבדיל בין סוגי נוירונים עשויה לעזור בשיפור שתלים עצביים על ידי רישום מדויק יותר אילו סוגים של תאים מעורבים בפעולות מסוימות, כך שהשתל יכול לזהות ביתר קלות אותות ספציפיים ולייצר את התגובה המתאימה.
המפתח לטכנולוגיה זו הוא הבנת האופן בו המוח שלנו עובד כאשר הם בריאים, כך שניתן לפצות על כל נזק. אם לאדם היה שבץ מוחי וחלק מהמוח שלו נפגע, למשל, היית צריך להבין איך הקטע הזה עובד לפני שתוכל לשקול לתכנן שתל כדי לשכפל את הפונקציונליות הזו.
פרופסור מייקל האוסר, מחבר בכיר של המחקר מחטיבת הרפואה של UCL ואוניברסיטת הונג קונג, אמר: "פרויקט זה התעורר לחיים בזכות ההתכנסות של שלושה חידושים קריטיים: שימוש בביולוגיה מולקולרית כדי להתייג את סוגי הנוירונים השונים בהצלחה, תוך שימוש באור, התפתחויות בטכנולוגיית רישום סיליקון, ובמקור את השיפורים המהירים בעקבות העניין.
"באופן חיוני, הסינרגיה בצוות שלנו הייתה אינסטרומנטלית לחלוטין. מעבדות השותפים ב- UCL, ביילור, דיוק ואוניברסיטת בר אילן תרמו כולם חלקים קריטיים לפאזל. ממש כמו המוח, השלם גדול מסכום החלקים שלו."
בסיס הנתונים שנאסף על ידי הצוות זמין בחופשיות והאלגוריתם הוא קוד פתוח, כלומר מדענים מרחבי העולם יכולים להשתמש במשאבים אלה למחקר נוירולוגי.
מחקר זה מומן על ידי מימון מ- Wellcome, מכונים לאומיים לבריאות (NIH), מועצת המחקר האירופית (ERC) ותוכנית המחקר והחדשנות של האיחוד האירופי 2020.
