חוקרי הטכניון זיהו קוד מובנה שבאמצעותו תאי-עצב במח האנושי מייצגים תנועות דיבור

5החוקרים הצליחו לפענח הברות ישירות מתוך הפעילות העצבית הגורמת להגייתן – ממצא שעשוי לאפשר לחולים המשותקים בכל חלקי-גופם "לדבר" עם הסובבים אותם באמצעות ממשק ישיר בין מח ומחשב

חוקרי הטכניון הצליחו לפענח הברות ישירות מתוך הפעילות העצבית הגורמת להגייתן – ממצא שעשוי לאפשר לחולים המשותקים בכל חלקי-גופם "לדבר" עם הסובבים אותם באמצעות ממשק ישיר בין מח ומחשב. פרופסור שי שהם וד"ר אריאל טנקוס מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית, בשיתוף עם פרופ' יצחק פריד מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס (UCLA), מתארים במחקר חדש שהתפרסם בכתב העת המדעי Nature Communications את הדרך בה מקודדים תאי-עצב באזורים שונים במח האנושי מקטעי-דיבור שונים (תנועות) במהלך הגייתם. הגילוי איפשר, בעקיפין, לפענח את תוכן הדיבור של הנבדקים על סמך פעילות-מוחית בלבד. אחד היישומים האפשריים של פענוח דיבור מתוך פעילות מוחית הוא ביצירת ממשק מוח-מחשב, שיוכל להחזיר יכולת דיבור למשותקים שאיבדו אותה.

"יש מחלות בהן החולה משותק בכל חלקי גופו, ממש 'נעול' בו (locked-in syndrom) ואינו יכול לתקשר עם הסביבה, אך מוחו עדיין מתפקד", מסביר פרופסור שהם, ראש המעבדה לממשקים עצביים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון. "מטרתנו ארוכת הטווח היא להשיב את יכולת הדיבור לחולים אלו באמצעות מערכות שיכללו השתלת אלקטרודות במוחם, פענוח הפעילות העצבית המקודדת דיבור, והשמעת קולות הדיבור באופן מלאכותי. לצורך כך, רצינו קודם כל להבין כיצד מקודד המידע על ההברה הנהגית בפעילות החשמלית של תא עצב בודד במוח ושל אוכלוסיית תאים. בניסויים שערכנו הצלחנו לגלות אוכלוסיות תאים שמשתתפות בייצוג. למשל, תאים שרשמנו באזור במרכז האונה הקדמית הכולל את ה-Anterior Cingulate Cortex, מאוד הפתיעו אותנו באופן שבה ייצגו תנועות מסוימות ולא אחרות, אף על פי שהאזור אינו מוכר דווקא כבעל תפקיד מרכזי בתהליך יצירת הדיבור".

הניסויים נערכו במרכז הרפואי של אוניברסיטת-קליפורניה בלוס אנג'לס בהשתתפות חולי-אפילפסיה, שבמוחם הושתלו אלקטרודות עומק על ידי פרופ' פריד וצוותו. מטרת-ההשתלה היא לאתר את המוקד האפילפטי, שהוא האזור במוח ממנו מתחילים ההתקפים האפילפטיים. לאחר הניתוח, החולים מאושפזים במשך שבוע-שבועיים כשהאלקטרודות במוחם, וממתינים להופעת התקפים ספונטניים שיוקלטו על-ידי האלקטרודות. בפרק זמן זה, ד"ר טנקוס, שהיה פוסט-דוקטורנט ב-UCLA וכעת חוקר בטכניון, ערך ניסויים בהם ביקש מהחולים להגות תנועות והברות המורכבות מעיצור ותנועה, ותוך כדי כך רשם את פעילות תאי-העצב במוחם.  החוקרים גילו שתי אוכלוסיות של תאי-עצב שכל אחת מהן מקודדת את המידע על התנועה הנהגית בצורה שונה לחלוטין.  באוכלוסייה הראשונה שזוהתה במרכז האונה הקדמית, כל תא מקודד תנועה אחת או שתיים בלבד ע"י שינוי קצב הירי שלו, אך אינו משנה את פעילותו כאשר נהגות תנועות אחרות. לעומת זאת, באוכלוסייה השנייה, הנמצאת באזור Superior Temporal Gyrus, כל תא מגיב לכל התנועות שנבדקו, אך עוצמת-התגובה (של התא) משתנה מתנועה לתנועה. יתר על כן, החוקרים הצליחו להסיק סידור מתמטי של האופן בו מיוצגות התנועות במוח, והראו שהוא תואם את טרפז התנועות, הבנוי על-פי מיקום הנקודה הגבוהה ביותר של הלשון בזמן ההגייה. בכך הצליחו החוקרים לקשר את הייצוג המוחי עם האנטומיה והפיזיולוגיה של הגיית-תנועות.

כאמור, הבנת הייצוג המוחי של יצירת-דיבור מהווה גם צעד משמעותי בדרך לפענוח הפעילות התאית באמצעות המחשב, כפי שמספר ד"ר טנקוס: “פיתחנו אלגוריתם חדש ששיפר מאד את היכולת לזהות מתוך הפעילות המוחית איזו הברה נהגתה, ובאמצעותו הגענו לאחוזי זיהוי גבוהים מאד. בהסתמך על הממצאים הנוכחיים, אנו עורכים כעת ניסויים ליצירת ממשק מוח-מכונה להחזרת יכולת הדיבור לבני-אדם.

בתמונה: שני אזורי-השפה, בהם נחקרו תגובות התאים בזמן דיבור. הגרפים מציגים קוד סלקטיבי לתנועות באזור באונה המצחית וקוד לא סלקטיבי באזור באונה הרקתית (כל צבע מייצג נוירון). צילום: Ariel Tankus