נוירונים מחפשים משמעות

למידת חוקים הינה חיונית להישרדותם של בעלי-חיים רבים. היא מאפשרת להם לזהות דפוסים חוזרים בסביבתם ולהסיק מהם כללים לטובת התמודדות עם מצבים דומים בעתיד. היכולת של פרימטים, ובפרט בני-האדם, ללמוד חוקים מפותחת במיוחד ומאפשרת קבלת החלטות מורכבות ותכנון לטווח ארוך. מכיוון  שהסביבה הטבעית עשירה במידע ומשתנה ללא הרף, האתגר העיקרי שניצב בפני המוח בתהליך הלמידה הוא לזקק מן ה"רעש" שמסביב חוקים בעלי תוקף שיהיו רלוונטיים גם במצבים שונים מאלה שבהם נלמדו.

בעוד תהליכי למידה אלה נחקרו רבות ברמה ההתנהגותית, מעקב בזמן אמיתי אחר תהליך הלמידה כפי שהוא מתרחש בתוככי המוח הוא מסובך. מחקר חדש של פרופ' רוני פז, פרופ' אלעד שניידמן וד"ר ירדן כהן מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, פורץ דרך חדשה בתחום באמצעות שילוב בין מודלים חישוביים ובין רישום הפעילות של תאי העצב, כבר למן הרגעים הראשונים של תהליך הלמידה.

מדעני המכון פיתחו מטלת למידה הדורשת מיון של תבניות קטנות שבכל אחת מהן כמה ריבועים שחורים או לבנים בסדר שונה. בכל סבב של הניסוי, החוקרים מגדירים חוק שמחלק את התבניות לשתי קבוצות. למשל, קבוצה אחת שבה בכל התבניות הריבוע הימני שחור – וקבוצה אחרת שבה הוא לבן. תהליך הלמידה בכל סבב הוא של ניסוי וטעייה. בכל פעם מוצגת בפני הנבדק תבנית אחת, והוא צריך להחליט לאיזו משתי הקבוצות לשייך אותה. בסבב מוצלח, הנבדק לומד בהדרגה את החוק שהגדירו החוקרים בהתאם למשוב שהוא מקבל.

מטלת הלמידה התגלתה כיעילה מאוד: אבני המשחק פשוטות יחסית, אך ניתן ליצור מהן מגוון גדול מאוד של חוקים – פשוטים ומסובכים כאחד

מטלת למידה זו התגלתה כיעילה מאוד: אבני המשחק – התבניות – פשוטות יחסית, אך ניתן ליצור מהן מגוון גדול מאוד של חוקים – פשוטים ומסובכים כאחד. לתבניות אלה יש יתרון נוסף וחשוב: כל החוקים, כלומר כל אפשרויות החלוקה של התבניות לשתי קבוצות, ניתנים לייצוג במרחב גיאומטרי שמאפשר כימות ועיבוד של הנתונים כדי להפיק מהם מידע משמעותי. הייצוג המרחבי נעשה בעזרת קובייה רב-ממדית, וכל חוק מיוצג כווקטור – חץ בכיוון מסוים בתוך הקובייה.

במהלך הניסוי, רשמו החוקרים את הפעילות של תאי עצב משני אזורים במוח, שידוע כי הם חשובים ללמידת חוקים: קליפת המוח הקדמית והגרעינים הבזאליים. החוקרים מדדו וכימתו את התגובה של כל תא עצב ביחס לכל תבנית מוצגת. בנקודה זו טמון הישג חשוב של המחקר: החוקרים עיבדו את המידע על פעילות תאי העצב כך שאף הוא יוצג בעזרת וקטור הממוקם באותה הקובייה הרב-ממדית שבה מיוצגים החוקים הנלמדים.

תאי העצב בקליפת המוח ""לומדים" בתהליך של ניסוי וטעייה, כאשר הם הולכים ו"מתקרבים" אל החוק, בעוד הגרעינים הבזאליים מבססים את הביטחון במציאת החוק הנכון

העובדה שהפעילות המוחית והחוק הנלמד מיוצגים באותו המרחב, אִפשרה לשקף את הלמידה ברמת תאי העצב. מכיוון שכל חוק מיוצג באמצעות וקטור מסוים, הפעילות של תא העצב הבודד משתקפת על-ידי סדרה של וקטורים אשר ניצבים בכל פעם במקום אחר במרחב ו"מחפשים" את החוק הנכון. כלומר, במצב שבו הלמידה מתקדמת, הווקטורים של הפעילות העצבית מתקרבים אל המקום שבו נמצא הווקטור שמייצג את החוק.

בדרך זו, החוקרים מצאו כי תאי העצב בקליפת המוח הקדמית "לומדים" בתהליך של ניסוי וטעייה, כאשר הם הולכים ו"מתקרבים" אל החוק. לעומתם, הווקטורים של תאי העצב בגרעינים הבזאליים מתארכים – כלומר מבססים את הביטחון של המוח בכך שמצא את החוק הנכון.

החוקרים גילו עוד כי ישנו תיאום בין התהליכים המתרחשים בחלקים השונים של המוח: הגרעינים הבזאליים מחזקים את הביטחון של המוח בחוק מיד לאחר שתאי העצב בקליפת המוח הקדמית מזהים אותו. יתר על כן, הפעילות העצבית בסוף יום ניסוי אִפשרה לחזות בהסתברות גבוהה את ההתנהגות ואת ההצלחה בביצוע המטלה ביום שלמחרת. עובדה זו מחזקת את הביטחון של החוקרים בזיהוי הנכון של האזורים במוח שבהם מתבצעת פעולת הלמידה, וכן את אמינות המודל שפיתחו. בעתיד, יוכל מודל זה לאפשר מדידה מדויקת יחסית של הפרעות שונות לתהליך הלמידה ותכנון למידה מוכוונת אשר תשפר ותאיץ את כושר הלימוד.