סורקי מוח fMRI: קוראי המחשבות החדשים

סורקי מוח יכולים לראות את המחשבות שלנו

האם אפשר לקרוא מחשבות? האם טלפתיה היא מדעית? אם אני חושבת על מישהו משהו, האם יש איזה שהוא מכשיר שיכול לגלות את מה שאני חושבת עליו? מזה כמה שנים מדעני מוח שואלים את השאלה הזו.

זוכרים את הסרט ביג מ-1988? ילד שעדיין לא התפתח חולם על הילדה הבלונדינית היפה מהכיתה שלו, אך הגבוה ממנו בכמעט ראש שלם. היא מצדה לא מביטה עליו אפילו בלונה פארק. יש לה כבר חבר גברבר מתבגר. ברב ייאושו הילד הולך למכונת הזולטר המסורתית בפינת היריד וכל רצונו הוא רק להיות גדול. קבל המכונה מנותק מהחשמל. המכונה דורשת מטבע. הילד מביע את משאלתו והמכונה פולטת כרטיס: משאלתך התקיימה. למחרת בבוקר המשאלה אכן מתקיימת: הילד מגלה שהוא טום הנקס בן ה-30. מאז המוני ילדים (וגם מבוגרים…) בעולם מחפשים בירידים את מכונת הזולטר. כל זאת כדי לנתק אותה מכבל החשמל, לבקש בלב משאלה, לחכות שהגורו ההודי יפער את פיו ולמחרת לקוות למצוא את עצמם מנהלים של חנות צעצועים או סתם מנהלים של חברה אחרת. האם מחר באמת נגלה שלא רק שתהיה מכונה שתוכל לקרוא את המחשבות שלנו, אלא גם להגשים אותן (ועוד כאשר הכבל שלה מנותק…)?

בינתיים נראה שחוקרים מחפשים אחר מכונה – סורק מוח – שתגשים חלום אחד שלהם: לקרוא את המחשבות של אנשים. באשר לחלק השני: להגשים את הרצונות… אולי אם ננתק את סורק המוח מכבל החשמל הוא יתחיל גם להגשים את מה שהנבדקים חושבים בזמן שהוא מבצע להם סריקות מוח?…

אכן בשנים האחרונות מדברים על סורקי מוח כעל פוטנציאל לקוראי מחשבות. אומרים לנו כבר הרבה זמן, ואתמול גם הופיע מאמר ב-ניו סייאנטיסט ששוב הזכיר לנו את הנושא, שסורקי מוח עשויים לחשוף את מחשבותינו או יותר נכון לגלות באילו תמונות אנחנו מביטים. ועתה ישנו שדרוג: הוא מגלה באילו קליפים אנחנו מביטים.

אולם כמו שאומרים ביידיש, השיטה בבסיסה נשענת על “אובר חוכם”:

ראשית משתמשים במכשיר ה-fMRI כדי לאסוף מידע אודות האופן שבו המוח מעבד תמונות.

שנית, רושמים את הפעילות המוחית בקורטקס הויזואלי בנבדקים בעודם מביטים בהמוני תמונות.

שלישית, מתוך המידע הרב הזה החוקרים מפתחים תוכנה שיכולה לנבא איזו תבנית פעילות מוחית מתעוררת על ידי סוגי תמונות שונים.

לבסוף, מראים לנבדקים קבוצה חדשה אקראית לגמרי של תמונות, שאותם הם לא ראו קודם לכן. תוכנת המחשב יכולה לנבא בסבירות של בין 80 ל-90 אחוז על איזו תמונה חושב הנבדק ברגע זה. כיצד? כי במאגר שלה מצויות תבניות הפעילות המוחית שמתעוררות על ידי אלפי תמונות מסוגים שונים שהוזנו אליה. ולכן התוכנה משווה את הפעילות המוחית הנדונה למאגר שברשותה.

לפני תיאור הניסויים, מה זה fMRI?

ראשית נשאל קודם מה זה MRI? ה-MRI חוקר את האנטומיה של המוח בעוד שה-fMRI functional magnetic resonance imaging כשמו כן הוא מכשיר להדמיה מגנטית בתהודה תפקודית, חוקר את התפקוד של המוח (הפונקציה שלו).

בעוד שקרני רנטגן הם מצוינים להדמית עצמות הם לא טובים להדמית רקמות. טכניקה טובה יותר לחקירת רקמות היא הדמיה מגנטית בתהודה או MRI. טכניקה זו ממקמת אטומי מימן על ידי זה שהיא מצויה באינטראקציה עם הגרעינים המגנטיים שלהם. מכיוון שאטומי מימן הם נפוצים גם במים וגם במולקולות אורגניות, לחקור אטומי מימן היא דרך טובה לחקור גם רקמות ביולוגיות.

מהו הגרעין של אטום המימן? הפרוטון. בדיוק כמו האלקטרון ניתן למדל את הפרוטון אפקטיבית ככדור מטען מסתובב, ומטען נע זה נותן לו שדה מגנטי. הפרוטון מתנהג כמו מוט מגנט זעיר, שיש לו קוטב צפוני בקצה אחד וקוטב דרומי בקצה השני. אם נשים את הפרוטון בשדה מגנטי, הוא יטה להתיישר עם השדה.

זהו המודל הקלאסי – כדור מגנטי מסתובב. נוסיף למודל הזה את עקרון אי הודאות של הייזנברג ונקבל שציר הסיבוב של הפרוטון הוא לא מוגדר היטב. בנוסף, הפרוטון בשדה מגנטי מציג רק שני כיוונים מוגדרים: מיושר או לא מיושר. לשם הפשטות נקרא לפרוטונים המיושרים “ספין מעלה” ולאלה שהם לא מיושרים “ספין מטה”. בשדה מגנטי חזק, פרוטונים בעלי ספין מעלה עוברים במספרם את אלה בעלי הספין מטה.

עכשיו נכניס נבדק לשדה מגנטי חזק של מכונת ה-MRI. הפרוטונים שבתוך הגוף של הנבדק מגיבים לשדה ומופיע עודף של פרוטונים עם ספין מעלה. בגלל שהיישור עם השדה המגנטי מפחית את אנרגיה הפוטנציאלית של המגנט, לכל אחד מהפרוטונים בעלי ספין מעלה האלה יש פחות אנרגיה מאשר היה לו אילו הוא היה ספין מטה. ניתן להמיר פרוטון ספין מעלה עודף לכזה בעל ספין מטה, אבל הליך זה דורש אנרגיה.

מכונת MRI משתמשת בסליל גדול שמשדר ומקבל תדירויות רדיו: הסליל משדר פוטונים בגלי רדיו כדי להמיר את הפרוטונים העודפים בעלי ספין מעלה. כאשר פוטון גל רדיו בעל כמות האנרגיה הנכונה בדיוק עובר דרך פרוטון ספין מעלה, הפרוטון יכול לבלוע אותו במעבר קרינה ולההפך לפרוטון ספין מטה.

מכונת ה-MRI הטיפוסית יכולה ליצור שדה מגנטי שהוא עשרות אלפי פעמים חזק יותר מהשדה המגנטי של כדור הארץ, למען האמת פי 50,000 מהשדה המגנטי של כדור הארץ. הכוח שנוצר הוא כה חזק שהנבדקים צריכים להוריד כל שרשרת ממתכת בטרם הם יכנסו לסורק, אחרת היא עוד עלולה לעוף ולהרוג אותם בשדה כל כך חזק.

אז למה צריך כזה מגנט מפלצתי כדי לראות מה קורה במוח שלנו? רק בגלל הפרוטונים שבתוך המוח שלנו. המכונה מיישמת שדה מגנטי משתנה לגוף הנבדק. מגנטים מודרניים נבנים מחוטים על מוליכים שמקוררים בהליום. המכונה אחר כך שולחת גלי רדיו שונים דרך הנבדק ובודקת אילו גלים מאלה נבלעו על ידי הפרוטונים. מכיוון שרק פרוטון שחש בשדה המגנטי הנכון יכול לבלוע פוטון גל רדיו מסוים, מכונת ה-MRI יכולה לקבוע היכן כל פרוטון נמצא על ידי הגילוי של גל הרדיו שהוא בלע. על ידי שינוי השדה המגנטי וכוונון האנרגיות של גלי הרדיו, המכונה בהדרגה ממקמת את הפרוטונים בגוף של הנבדק.

בשפה יותר מסובכת, ישנו גורם אחד שהוא מאוד חשוב וקרוי תדירות התהודה של הפרוטון. הוא קשור בעוצמת השדה המגנטי החיצוני המיושם. בעוד הנבדק במכונת ה-MRI שוכב לו על השולחן, עוצמת השדה הגנטי משתנה לאורך השולחן והמנהרה שבה הוא נמצא. כך נוצר גרדיאנט שהוא יותר חזק בראש, נחלש באמצע ושוב מתחזק ברגליים. תדירות התהודה של פרוטון נתון היא בחלקה פונקציה של המיקום שלו בגרדיאנט הזה. באופן כללי, בעזרת תדירויות הרדיו הפרוטון כך משדר מידע על מיקומו לבודק, שקובע את תדירות התהודה שלו. המכונה משדרת לרקמה הנבדקת רק תדירויות גלי רדיו מסוימים שיש להם את האפקט הכולל שהם מעוררים את הפרוטונים ולא את שאר החלקיקים בדוגמית.

המכונה בונה מפה תלת-ממדית מפורטת של אטומי המימן. ואחר כך מחשב מסדר את המפה הזו ומאפשר ייצוג של חתכים של הדימות של בדיקת הנבדק מזוויות שונות.

ומה באשר למכשיר ה-fMRI? משתמשים במכשיר ה-fMRI בעיקר למחקר ולא כל כך כמכשיר לבדיקת חולים, וזאת כדי ליצור מפות אקטיבציה שמראות אילו חלקים במוח קשורים בתהליך חשיבתי (מנטאלי) מסוים. למעשה ה-fMRI הוא שדרוג של ה-MRI לבדיקת זרימת הדם במוח. זרימות הדם קשורות בפעילויות מוחיות. כאשר אזור במוח הוא יותר פעיל הוא מכלה יותר חמצן. כדי להגיע לצורך גדול יותר זה, זרימת הדם גודלת לאזור במוח הפעיל הזה. החמצן מועבר לנוירונים על ידי ההמוגלובין בתאי הדם האדומים דרך הנימים. אמרנו שהפעילות הנוירונית גוברת, ואז יש צורך גובר לחמצן והתגובה המקומית היא גידול בזרימת הדם באזורים בהם הפעילות המוחית היא מוגברת. ולכן מכיוון שחמצון הדם משתנה בהתאם לרמות הפעילות המוחית, מכשיר ה-fMRI יכול לגלות את ההבדלים האלה בתכונות המגנטיות בין שני חלבונים דומיננטיים בתאי הדם האדומים: האוקסיהמוגלובין (חלבון שקשור יחד עם חמצן) והדאוקסיהמוגלובין (חלבון ללא חמצן). הבדלים אלה מובילים להפרשים זעירים בסיגנל התהודה המגנטית של הדם, שתלוי ברמת החמצון. כמובן שברמה האטומית מדובר בפרוטונים ובהסבר שלמעלה.

קורא התמונות מברקלי

בשנים האחרונות השתמשו בתבניות של פעילות המוח, שהתקבלו בעזרת מכשיר ה-fMRI, כדי לנבא אילו תמונות אנשים חושבים בעודם מביטים בתמונות אקראיות שנתנו להם. כיצד עשו זאת? באמצעות תוכנה שיכולה לשחזר את התמונות שאנחנו מביטים בהן. התוכנה משתמשת בסריקות מוח, וכך היא נהפכה לטכנולוגית “קוראת המחשבות” הראשונה.

ג’ק גאלנט והקולגות שלו מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי הראו במרץ 2008 שעל ידי בדיקת סריקות מוח ניתן לומר על מישהו שמוחו נסרק, באילו תמונות הוא הביט. וכיצד עושים זאת?

המכשיר לקריאת מחשבות – או יותר נכון, המכשיר לפענוח גירויים ויזואליים מסיגנלים מוחיים של נבדקים – פועל באופן הבא. המדענים מאוניברסיטת קליפורניה אשר בברקלי בראשות ג’ק גאלנט פיתחו מודל חישובי שמשתמש בנתוני fMRI כדי לפענח מידע מחלק המוח שאחראי על עיבוד הגירויים הויזואליים, הקורטקס הויזואלי. הכוונה היא לפענח תוכן מנטאלי מפעילות מוחית כפי שמודד אותה מכשיר ה-fMRI ולשאוף להגיע לשחזור החוויות הויזואליות מהפעילות המוחית.

עד כה החוקרים הראו שה-fMRI יכול לחשוף פעילות מוחית שקשורה בראיית תמונות שונות. וניתן היה לזהות תמונות בסיסיות מקטגוריות קבועות בלבד, כמו למשל פנים, אנשים וחיות. בנוסף, התהליך תלוי בידע קודם שקשור בפעילות המוחית. אולם הקבוצה מברקלי הראתה שדימות מוחית יכולה לחשוף תמונות מורכבות הרבה יותר באופן הבא. להלן הניסוי:

1)    הקבוצה קודם כל השתמשה ב-fMRI כדי לאסוף מידע אודות האופן שבו המוח מעבד תמונות. הקבוצה עשתה זאת על ידי זה שהיא רשמה ומדדה את הפעילות המוחית בקורטקס הויזואלי בנבדקים בעודם מביטים ביותר מכמה אלפי תצלומים אקראיים. הנוירונים בחלק הזה של המוח מגיבים לאספקטים שונים של הסצנה הויזואלית, כמו למשל אזורים של ניגוד בין אור לחושך, ולכן הפעילות שנרשמת בכל אזור ואזור של סריקת המוח, מייצגת את המידע הויזואלי שמעובד על ידי הנירונים באזור זה של המוח.

2)    מתוך מידע זה החוקרים פיתחו מודל חישובי – תוכנה –  שינבא אילו תבניות של פעילות מוחית מעוררות סוגי תמונות שונות. וכך הם יכלו לאמן את הגלאי שלהם כך שיוכל להבין איך פועל הקורטקס הויזואלי של האדם המעבד מידע.

3)    אחר כך, הראו לנבדקים קבוצה אקראית חדשה של מעל 100 תצלומים, שאותם הם לא ראו קודם לכן מעולם. תוכנת המחשב יכלה לנבא איזו תמונה ראה הנבדק, כלומר על איזה תמונה הנבדק חשב מתוך 120 או 1000 האפשרויות – בהתבסס על התבניות שקודם לכן התוכנה זהתה בקבוצה הראשונה של התמונות בעזרת ה-fMRI – והתוכנה עשתה זאת בדיוק של בין 80 ל-90 אחוז.

מזהה המחשבות והמלים היפני

חוקר יפני בשם יוקיאשי קמיטאני במעבדות למדע המוח בקיוטו אשר ביפן התקדם צעד אחד קדימה, כאשר הוא וקבוצתו בנו תמונת מחשבות של הנבדק בשחור לבן באמצעות fMRI בעוד הנבדק הביט בתמונה של המלה נוירון.  

קמיטאני הראה לנבדקים שלו את האותיות של המלה Neuron (שם כתב העת שבו פורסם המאמר שלו) והנבדקים נכנסו לסורק וקראו בשקט וחשבו לעצמם את המלה הזו ובוצעה להם סריקה מוחית. בעוד הנבדקים חשבו על המלה, התוכנה שחזרה אותה במטושטש, ראו האיור למטה לגבי המלה “נוירון”.

Brain scanning can now extract information directly from the brain: the subject read the word "neuron" at the top, and software working with the brain scan images reconstructed the word (below) (Image: Neuron/Cell Press) 

הטכניקה של קמיטאני משחזרת את המלה שבתוך המוח של הנבדק ומציגה אותה על צג המחשב. החוקרים טוענים שפיתוח נוסף של הטכנולוגיה יכול להוביל להצגת החלומות של הנבדק בעת שנתו.  מכאן.

המדענים היפנים בראשות קמיטני הצליחו לשחזר את המלה נוירון וגם מספר תמונות שאותם ראה הנבדק על ידי זה שהם בחנו בעזרת מכונת ה-fMRI שינויים בזרימת הדם המוחית. בהתחלה החוקרים מיפו את שינויי זרימות הדם שהופיעו בקורטקס הויזואלי המוחי בעוד הנבדקים הביטו בתמונות שונות שהבודקים החזיקו מלפני העיניים שלהם. הראו לנבדקים באקראיות 400 תמונות בשחור לבן ברזולוציה של 10 כפול 10 פיקסלים – הראו לנבדק כל תמונה למשך זמן של 12 שניות. בזמן שמכונת ה-fMRI רשמה את השינויים בפעילות המוחית, תוכנת מחשב הזינה את כל הנתונים ולמדה לשייך את השינויים השונים בפעילות המוחית לתכנוני התמונות השונות.

השלב הבא היה להראות לנבדקים קבוצה חדשה לגמרי של תמונות, שהם לא ראו קודם לכן אף פעם. הראו להם את האותיות: N-E-U-R-O-N

המערכת הייתה אז מסוגלת לשחזר ולהציג את מה שהנבדקים ראו בהתבסס אך ורק על הפעילות המוחית שלהם (וכמובן תוך השוואה למאגר שהתוכנה אספה קודם לכן…).

המערכת מסוגלת היום רק לשחזר תמונות בשחור לבן. וכמו הטלוויזיה בשחור-לבן… מחכים למהפכת הצבע.

קורא המחשבות על סרטים מברקלי

בשבוע שעבר, במפגש של האגודה למדעי המוח בשיגקו, ג’ק גאלנט הציג את אחת התוצאות המרשימות. הוא והקולגה שלו שינג’י נישימוטו הראו שהם מסוגלים ליצור שחזור גס של קליפ סרט שמישהו הביט בו וחשב עליו בעת שבצעו לו סריקת מוח. וזאת כאמור תוך צפייה בפעילות המוחית שלו בלבד. היו בפגישה שטענו שפענוח מוחי שכזה יכול לשמש לקריאת זיכרונות, תוכניות עתידיות – ואפילו לאבחן הפרעות אכילה.

כמובן שעולות שוב ושוב מיד שאלות אתיות ומוסריות: מי ינצל את שיטות קריאת המחשבות? אילו ממשלות והאם ינוצלו השיטות כשיטות עינויים בצורה פסולה? מאידך, שיטות אלה עשויות להוביל לתועלת רבה – הבנה טובה יותר של המוח האנושי ושיפור התקשורת עם אנשים שאינם מסוגלים לתקשר בדיבור, כמו למשל קורבנות של שבץ מוחי או אנשים בעלי הפרעות נוירו-דגנרטיביות (ניוון שרירים).

נישימוטו וגאלנט התחילו את הניסוי שלהם על ידי זה שהם הראו לשני חברי מעבדה במשך שעתיים וידאו קליפים מובחרים מטריילרים של די וי די, בעוד הם סורקים את מוחותיהם. תוכנת מחשב אחר כך בצעה קורלציות בין תבניות שונות של הפעילות בקורטקס הויזואלי לאספקטים ויזואליים שונים של הסרטים, כמו צורה, צבע ותנועה. הזינו אחר כך את התוכנה בהמוני קליפים של יו טיוב, והשתמשו במיפוים שנאספו מהטריילרים של ה-די וי די כדי לנבא את פעילות המוח שכל קליפ יו טיוב ייצור בצופים.

לבסוף, אותם שני נבדקי מעבדה התבוננו בסדרת קליפים שלישית חדשה, שאותה תוכנת המחשב לא ראתה מעולם, זאת בעוד מוחותיהם נסרקו. תוכנת המחשב השוותה את סריקות המוח האלה עם תבניות של הפעילות המוחית המנובאת, שאותן היא יצרה מהקליפים של יו טיוב. עבור כל שנייה של סריקת מוח, התוכנה בחרה את 100 הקליפים של יו טיוב, שאותם היא החשיבה כיוצרים את הפעילות המוחית הדומה ביותר לזו שהתקבלה עתה – ואחר כך היא מיזגה אותם. התוצאה הייתה “קריאה של המוח”, שמתאימה בצורה גסה ומאוד מטושטשת לקטע אחר קטע בצורה רציפה של הקליפ שבו הנבדק צפה.

במקרים מסוימים הניסוי הצליח ובאחרים פחות הצליח. כאשר נבדק מעבדה אחד צפה בקליפ של השחקן סטיב מרטין בחולצה לבנה, תוכנת המחשב הפיקה קליפ שנראה כמו מריחה של אדם נע, שנראה כמו טורסו לבן, אבל הכתם בקושי היה דומה למרטין, כאשר שום דבר לא היה דומה לשפם שהיה לו… הייתה גם בעיה לשחזר אלמנטים של סרטי תנועה של מטוס בקוו האופק וזה בגלל בעיות עם התוכנה.

Advertisements

0 thoughts on “סורקי מוח fMRI: קוראי המחשבות החדשים

  1. נאמר שמצד אחד חברות לאבטחת נמלי תעופה מתעניינות באמצעי שיאפשר סריקה מרחוק, ומצד שני, חברות מסחריות מעוניינות באפשרות לדעת מה חושב הלקוח על המוצר שלהן.

    כך שמצד אחד יש סכנה של ניצול האכיפה על כל מי שחושב מחשבות שליליות (חושב על סקס? שירותים?) ומצד שני כבר ראיתי מספיק תאגידים מסחריים שלא ממש אכפת להם מזכויות אדם, המטרה שלהם היא להרוויח (בארה”ב ניתן לראות חברות אשר העתיקו את פס הייצור שלהן אל בתי הכלא ולפיכך דוחקות בממשל להחמיר את הענישה בכדי שלא יחסרו להם ידיים עובדות, או תאגידים מסחריים שמממנים גופי שידור באמצעות פרסומות וכיוצא באלה, וגם מכתיבים תוך כדי לשדר רק תוכניות שיביאו רייטינג או שיצרו אווירה שמתאימה להם – ודוגמאות כאלה ניתן גם לראות בישראל)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s