החוקר שמגלה עד כמה המוח שלנו קרוב לנקודת רתיחה

במדעי המוח, בדרך כלל שאלות כמו איך מתחיל התקף אפילפסיה ומה הטריגר להתקף סכיזופרניה או מאניה נחקרים בנפרד זו מזו, אבל ד"ר אורן שריקי טוען, לצד חוקרים נוספים, שלכל התופעות הללו יש מכנה משותף. מתרחש בהן תהליך שבו המוח משנה פאזה, בדומה לשינוי מצב צבירה בחומרים. הוא עובר דרך "נקודת רתיחה", כפי ששריקי מכנה זאת, ופתאום קורה משהו שגורם למוח לעבור פאזה בבת אחת.

"המוח אוהב לעבוד ליד נקודת הרתיחה", אומר שריקי. "אנו משערים שיש לכך יתרונות מנקודת מבט של חישוב ועיבוד מידע במוח, אבל לא כל כך קל לעבוד ליד נקודת הרתיחה בלי לעבור אותה, ודאי במערכת כל כך מורכבת כמו המוח. זה דורש איזון עדין, ולפעמים קורה שהאיזון הזה מופר".

הרעיון הזה אינו רק תיאורטי ומחקרי כפי שאולי אפשר לחשוב. שריקי פיתח על בסיס הגישה הזאת מערכת לבישה לחיזוי התקפים אפילפטיים ועובד על יישומים נוספים. הוא גם שלח מערכת לאבחון של תופעות נוירולוגיות נוספות לתחנת החלל הבינלאומית במסגרת משימת רקיע של האסטרונאוט איתן סטיבה וקרן רמון.

הרשת תחילה לשמוע קולות

"הרעיון שהמוח עובד ליד מעבר בין מצבי צבירה עלה מתוך מחקר תיאורטי שביצעתי בדוקטורט וחוקרים נוספים הגיעו אליו באופן בלתי תלוי. לקראת סיום הדוקטורט, עסקתי בפיתוח של רשתות עצביות ממוחשבות, שהתפקיד שלהן היה לעבד קלט תחושתי, כגון תמונות או צלילים, באופן מיטבי. במודלים מסורתיים של רשתות כאלו, יש שכבות של תאי עצב מלאכותיים, והמידע מכל שכבה ברשת מוזן לשכבה שאחריה. במוח, הרשתות אינן עובדות כך. הקשרים בין תאי העצב הרבה יותר מבולגנים והולכים קדימה, אחורה והצדה לכל הכיוונים.

"הצלחתי לפתח רשת משובית כזאת, שדומה יותר למוח, והתחלתי ללמד אותה לעבד תמונות. בהתחלה הכול הלך כמתוכנן. הרשת השתפרה במהלך הלמידה ביכולת שלה לעבד ולייצג את המידע, אבל פתאום בבת אחת חל שינוי לרעה והייצוג של המידע נהיה גרוע. למעשה, הרשת המלאכותית התחילה 'להזות', לראות דברים שלא נמצאים שם. תבניות הפעילות שנוצרו ברשת דמו לאלו שנוצרות עבור קלטים אמיתיים, רק שכעת התבניות נוצרו גם כשלא מציגים לרשת קלט חיצוני. התברר שביצועי הרשת הם אופטימליים כשהם נמצאים קרוב מאוד למצב של 'הזיות'.

"זה קצת דומה למצב שבו את מדברת במיקרופון, אבל יש לך פידבק שמהדהד ומהדהד ומהדהד את עצמו עד שנוצר קול צורם ולא מובן, ואז מנמיכים מעט את הווליום. זה לא בדיוק מה שקורה אצלנו, אבל זה דומה מהבחינה שכאשר המשוב חזק מדי, הרשת מתחילה להתעלם מהעולם החיצון ולהיכנס ללולאה שבה היא ממשבת את עצמה".

שריקי וצוותו אפיינו את התנאים שבהם הרשת מתחילה 'להזות'. "ואז חשבנו שאולי יכולים לקרות דברים כאלה גם במוח".

השלב הבא היה לבנות מודלים שמייצגים באופן ממוחשב דפוסים מוחיים שונים, שמתרחשים קרוב לנקודה הקריטית. "הראינו שעשויה להתפתח סינסתזיה, כלומר מצב שבו גירוי בחוש אחד מעורר גירוי בחוש אחר". זה קורה גם אצל חלק קטן מבני האדם: אזכור של מילה או מספר יעלו אצלם חוויה של צבע, או צליל מסוים ייצור חוויה של טעם. במערכות הממוחשבות של שריקי, ניתן היה ליצור מצב שבו הרשת עבדה כרגיל, ואז שינוי קטן הוביל לחציית קו מסוים, שאחריו תמונות גרמו לרשת לחשוב שהיא שומעת קולות וכדומה.

המחקר העלה שאחד הגורמים שעשויים להביא רשת למצב של הזיות הוא חסך תחושתי, כלומר כאשר הקלטים חלשים מדי. "תהליך הלמידה מביא את המערכת להגברה כל כך גדולה של הגירוי, שהיא מתחילה להזות", אומר שריקי. "גורם אחר שמשפיע הוא רמת הגמישות של תהליך הלמידה. כאשר הגמישות גבוהה מדי, תהליך הלמידה מהיר, אך עשוי לפספס את נקודת העבודה הנכונה. "הרשת עוברת נקודת אל-חזור ונכנסת למצב הזייתי".

דמיינו, אומר שריקי, שאנחנו מחפשים את הפסגה הכי גבוהה בהר. אנחנו צועדים במעלה ההר, ואחרי כל צעד אנחנו בודקים אם אנחנו גבוהים או נמוכים יותר מקודם. אבל אם הפסיעה שלנו גדולה מדי, יש סיכוי שנפספס את הפסגה של ההר, פשוט נדלג מעליה. נתחיל לרדת מהצד השני ולא נבין מדוע אנחנו לא מצליחים לעלות גבוה יותר. זה בערך מה שקורה למערכת שמפספסת את האופטימום שלה. אבל זה קורה דווקא בנקודה מסוימת, שאותה שריקי מגדיר "נקודת הרתיחה".

לזהות התקף אפילפטי לפני שהוא קורה

את כל התופעות האלה מצא שריקי ברשתות מחשב לומדות, אבל איך אפשר לחקור אותן במוח עצמו? "בהתחלה לא ידעתי כיצד לקשר את הדברים למדידות של פעילות מוחית, אך בהמשך מצאנו כמה שיטות קונקרטיות לקשר בין התיאוריה לניסוי", הוא אומר.

כיום, ערוץ מחקר מרכזי במעבדתו של שריקי עוסק בפיתוח מדדים שמאפיינים את הקירבה לנקודת הגבול. "אנחנו עושים זאת באמצעות EEG. בהתחלה לא היה קל להעביר את הרעיונות בקהילה המדעית, אך אחרי שהעלינו כמה עבודות שונות לביקורת עמיתים, הגישה החלה להתקבל".

מערכת שפותחה במעבדה מזהה שינויים במוח האפילפטי כשעה לפני התקף, ובמאמר מדעי שפרסמה הקבוצה גם הוצגה יכולת להבדיל בין אנשים עם נטייה לאפילפסיה לעומת נבדקי ביקורת. "אנחנו בעצם רואים שהמוח האפילפטי הוא מלכתחילה יותר רגיש להתקף, ולפני ההתקף הרגישות הזאת עולה עוד יותר".

על בסיס המחקר במעבדה, הוקמה בינואר 2021 חברת ניורוהלפ (NeuroHelp) אשר מפתחת מערכת לזיהוי וחיזוי התקפים אפילפטיים. המערכת מבוססת על מגוון רחב של מדדים מוחיים ועל שימוש בכלי למידת מכונה. בטווח הארוך, שריקי רוצה לפתח כלי אבחון למגוון הפרעות מוחיות. בטווח המיידי, הוא מעוניין לתת לחולי האפילפסיה מערכת שמודדת את גלי המוח ישירות. "שמים את ההתקן על הראש אבל זה קומפקטי ונסתר, והמערכת מזהה אם הולך לקרות התקף בזמן הקרוב, וכשהוא קורה היא מתעדת אותו. המערכת תוכל בעתיד לעזור גם במניעת התקפים". אפילו עצם ההתרעה על התקף היא משמעותית. היא יכולה לאפשר לחולי אפילפסיה לעבור את ההתקף במקום בטוח.

מקדם ההדבקה של המוח

לשריקי יש דימוי נוסף, ברוח התקופה, שמסביר מה המערכת שפיתח בודקת: קורונה. לכל מוח יש "R" משלו, כלומר הקלות שבה תאי העצב מדביקים זה את זה בפעילות, הוא אומר. כאשר ה-R גבוה מ-1, הפעילות העצבית מתפשטת במהירות, באופן אקספוננציאלי. "בשלב הזה, נוצרים התקף אפילפטי או הזיה". כאשר המקדם קטן מ-1, הפעילות עשויה לדעוך מהר מדי. קרוב ל-1 יש איזון נכון בין הגורמים השונים.

במצב הקריטי, כלומר ליד 1, אנו מוצאים במוח תבניות של פעילות עצבית שאנו מכנים מפולות עצביות. הגדלים של תבניות אלו מתפלגים לפי חוק חזקה, כלומר ההסתברות לרעידה בגודל מסויים מתכונתית לגודל הרעידה בחזקת מספר שלילי. אל תחששו מהמינוח המתמטי - אפשר להסביר אותו בבהירות. "חוק החזקה מדבר על הסתברות שדברים יקרו", אומר שריקי. "למשל, רעידות אדמה מתפלגות על פי חוק החזקה. כל הזמן יש רעידות קטנות, מדי פעם יש רעידות בינוניות, ופעם בהמון זמן יש רעידות ענקיות. לעומת זאת, גובה של אנשים אינו מתפלג על פי חוק החזקה. לו היה מתפלג כך, היינו רואים, אמנם לעתים נדירות מאוד, גם אדם בגובה של 20 מטר. אבל זה לא קורה. חבל שרעידות אדמה אינן מתפלגות כמו הגובה, כי אז אף פעם לא היינו רואים רעידות אדמה גדולות בכלל".

אבל זה כן קורה במוח. "לפעמים הפעילות היא נמוכה. לפעמים היא בינונית, ולעתים נדירות מאוד יש פתאום התפרצות גדולה. אבל עד כאן זו לא בעיה. זה קורה במוח נורמלי, והוא ערוך לזה. מה שאנחנו כן רואים באפילפסיה הוא שינוי בדינמיקה של המפולות העצביות. נראה שהמערכת אצל אנשים עם אפילפסיה 'דליקה יותר'. אש הפעילות המוחית מתפשטת בו בקלות רבה יותר. באנלוגיה לקורונה, יש להם פחות ריחוק חברתי. האיזון בין אלמנטים מדכאי הדבקה לאלמנטים מעודדי הדבקה מופר, ואז נוצר גל שאי אפשר לעצור".

מה מזה אתה בעצם יכול לראות במערכת שלך?
"אני יודע לזהות את החתימה המוחית של 'מקדם ההדבקה' הזה, וכך לנבא אם יהיו התפרצויות חריגות או דעיכה מטרידה בפעילות. משעשע אותי שאלה כמעט אותם מונחים שבהם אנחנו באמת משתמשים כבר המון שנים כדי לתאר את מה שמתרחש במוח, זמן רב לפני שהייתה קורונה, ואנשים הבינו את זה אינטואיטיבית דרך החוויה שלהם".

למה בעצם המוח רוצה להיות קרוב לנקודה הקריטית?
"אם ההגברה נמוכה מדי, התקשורת לא מצליחה להתקדם. אפשר גם את זה לדמות למצב של ריחוק חברתי בלי זום. לא היינו רואים התפרצויות של קורונה, אבל החברה לא הייתה מצליחה לתפקד כחברה. הריחוק החברתי לא היה מאפשר זאת. אם ההגברה המוחית גבוהה מדי, נקבל התקפים אפילפטיים".

הקשר בין יצירתיות לנקודת הרתיחה

כשאתה מדבר על אפילפסיה, קל יחסית להבין את הרעיון של התפרצות. הרי אפילפסיה מאופיינת בפעילות עוצמתית של תאי מוח רבים בבת אחת. מה לגבי מחלות אחרות? כיצד הן מתבטאות במודל הזה?
"אנחנו יכולים להבדיל אצל מטופל לא תקשורתי בין הכרה מינימלית לאי-הכרה בכלל באמצעות EEG בלבד. אצל מי שנמצא בתת-הכרה, אנחנו בהחלט רואים גם ירידה כללית בפעילות ובתדירות האוולאנצ'ים. גם בשינה אנחנו רואים 'מקדם הדבקה' יותר נמוך. לעומת זאת, כאשר יש חסך בשינה, המקדם עולה, וידוע שחסך בשינה יכול להוביל להתקפים אפילפטיים, אצל אנשים עם עבר של התקפים כאלה וגם אצל אנשים בלי רקע רפואי. יכול להיות שאחד התפקידים של השינה, או לפחות של אחד משלבי השינה, הוא להחזיר את המוח לנקודת הנורמליות ולמנוע הגברת יתר.

"לכל מחלה אנחנו מוצאים את הדפוס שלה. אפשר לומר בהכללה שאנחנו שואלים מהי תקופת השקט בין הופעה של אוולאנצי'ם. אבל יש גם עוד רמת מורכבות. למשל, בבואנו לאבחן סכיזופרניה, אנחנו רואים 'מקדמי הדבקה' שונים אם אנחנו חוזרים על הבדיקה בסקאלה של 4 מילי שניות, או 8 או 16. ואם אני משווה את המספרים שקיבלתי בכל סקאלה, אני כבר מקבל איזשהו מדד מסדר שני, שמבדיל בין חולים לבריאים. נראה שהמוח עובד בכמה סקאלות. יש דברים שקורים בו מהר מאוד, ויש דברים שקורים בו יותר לאט, ואנחנו מחפשים דפוסים על פני כל סקאלת זמן כזו בנפרד. המוח כל כך מסובך. לא קל לתאר אותו מתמטית".

בפנטזיות הפרועות ביותר שלך, מה העתיד של התחום הזה?
"שלא יהיה לאנשים מחסום פסיכולוגי להסתובב בעולם עם מכשיר למדידת גלי מוח על הראש. כמו שהם מסתובבים היום עם טלפון סלולרי. והמערכת הזאת תנטר אותם כל הזמן, ותנחה אותם איך לחיות את החיים שלהם כדי למקסם את הבריאות המוחית והנפשית שלהם.

"רעיון הנקודה הקריטית של המוח קשור לא רק למחלות. הוא קשור לתודעה, ליצירתיות ולאינטליגנציה. למשל, בחקר היצירתיות מרבים לתאר מצב של זרימה, Flow. זה מצב שבו אנחנו עובדים בשיא יצירתי שלנו, מרוכזים לגמרי במשימה שהיא לא קלה מדי ולא מסובכת מדי או מתסכלת, ובסופו של דבר מטעינה אותנו באנרגיה במקום לגזול אותה מאיתנו. אנחנו סבורים שה-Flow הזה הוא מצב שבו אנחנו הכי קרובים לנקודה הקריטית, בלי לעבור אותה. כרגע זו רק השערה. אבל אם זה נכון, אולי נוכל להשתמש במערכות אבחון מוחיות כדי לעזור לעצמנו להיכנס בקלות רבה יותר למצב כזה של זרימה. גם סמים משני תודעה משפיעים ככל הנראה על הקרבה לנקודה הקריטית, ויתכן שניתן לחקות את ההשפעה שלהם ללא חומרים פרמקולוגיים. אני מאמין שיש קשר עמוק בין מצבי תודעה לבין הקרבה לנקודה הקריטית, וזה אחד הדברים שנתמקד בו במחקר בשנים הקרובות".

"זה החזון לטווח הרחוק. ובטווח הקרוב יותר, הפנטזיה היא שאפילפסיה לא תהיה מחלה מסכנת חיים".

איך משפיע החלל על פעילות המוח? הניסוי שלקח איתו איתן סטיבה לחלל

האסטרונאוט הישראלי איתן סטיבה, שחזר בשלום ממסעו לתחנת החלל הבינלאומית בתחילת השבוע, ביצע בזמן ששהה שם יותר מ-30 ניסויים שנבחרו עבורו על ידי ועדה מטעם קרן רמון. הניסויים שנבחרו היו בעיקר כאלה שעשויה להיות להם תרומה משמעותית להבנת האתגרים העתידיים של שהייה ממושכת בחלל. אחד מהם היה מחקר ששותפים בו ד"ר אורן שריקי והמערכת שפיתח.

מטרת המחקר הייתה לעקוב אחרי רווחתם המנטלית והנפשית של אסטרונאוטים בחלל לאורך זמן. איננו יודעים עדיין כיצד שהייה ארוכת טווח בתנאי מיקרו-כבידה משפיעה על המוח, נוסף על תנאי הבידוד בקבוצה קטנה הנכפים על האסטרונאוטים. ואנחנו גם איננו יודעים כיצד תנאי המיקרו-כבידה משפיעים על מכשירי המדידה.

במסגרת הניסוי נוטרה הפעילות המוחית של סטיבה באמצעות מכשיר ה-EEG הייחודי שפותח על ידי חברת Brain.space (בעבר EEG SENSE), שהיא מערכת ברזולוציה גבוהה במיוחד, המכילה כ-100 אלקטרודות "יבשות", כלומר שאינן מצריכות שימוש בג'ל מוליך כמו במכשירי EEG נפוצים. הסיבה לכך היא שג'ל עשוי להיות מושפע מתנאי הכבידה בחלל.

בתקופת השהייה בתחנת החלל, הוקלטה פעילות המוח של סטיבה במשך עשר דקות, פעמיים ביום. כל הקלטה כללה ניטור של כמה דקות במצב מנוחה, בעיניים פקוחות ובעיניים עצומות. לאחר מכן ביצע סטיבה משימות קוגניטיביות שונות, ונמדדה הפעילות שלו במהלכם.

כעת, לאחר איסוף הנתונים, הם ינותחו במעבדתו של שריקי באוניברסיטת בן גוריון. המטרה הראשונה תהיה לנסות לזהות אם חלו שינויים בפעילות המוחית בגלל עצם השינוי בתנאי הכבידה. הנתונים שנאספו בתחנת החלל יושוו לנתונים שנאספו מסטיבה לפני המשימה ואחריה. בנוסף, תיערך השוואה גם לקבוצה של עשרה נבדקי ביקורת שנבדקו במקביל לסטיבה על כדור הארץ.

ד"ר אורן שריקי

אישי: בן 51, בעל תואר ראשון בפיזיקה ודוקטורט בתחום של חישוב ועיבוד מידע במוח מהאוניברסיטה העברית

מקצועי: ראש המחלקה למדעי הקוגניציה והמוח באוניברסיטת בן גוריון וראש המעבדה לפסיכיאטריה חישובית

עוד משהו: בזמנו הפנוי מנגן בגיטרה חשמלית בלהקה שנקראת Brainwash עם אנשי סגל נוספים וטייס חובב במטוסי אולטרה-לייט