האלגוריתם של הנפש: המודלים המתמטיים של הדיכאון והחרדה

מה אם דיכאון הוא בעצם "באג" בחישוב של המוח? ד"ר פול שארפ, חלוץ בתחום הפסיכיאטריה החישובית, משתמש במודלים מתמטיים ובטכנולוגיית דימות כדי להבין למה המוח שלנו "טועה" בחישובי השכר והעונש שלו. בריאיון מיוחד הוא מסביר איך דווקא המתמטיקה מחזירה את האנושיות לטיפול הפסיכיאטרי

תארו לעצמכם שבעוד שנים ספורות, אדם הסובל מחרדה קשה לא ייאלץ לעבור "מסלול ייסורים" של ניסוי וטעייה עם תרופות שונות. במקום זאת, הוא יבצע מטלת מחשב קצרה, והמודל המתמטי יפענח את המנגנון הספציפי שמשובש במוחו: האם מדובר בליקוי ביולוגי בפרשנות ל"שכר ועונש" שדורש מענה תרופתי, או בכשל בתכנון תרחישי עתיד שדורש אימון קוגניטיבי? 

ד"ר פול שארפ, חלוץ בתחום הפסיכיאטריה החישובית, לאחר קריירה במוסדות עילית– מ-UCL בלונדון ועד אוניברסיטת ייל - עובד במעבדה שלו בארץ בדיוק על זה ובונה את הכלים שיהפכו את הדיאגנוזה הפסיכיאטרית למדע מדויק, אובייקטיבי ומותאם אישית.

ד"ר שארפ, כיום מרצה בכיר במחלקה לפסיכולוגיה ובמרכז גונדה לחקר המוח באוניברסיטת בר-אילן, ועמית מחקר במרכז דנגור לרפואה מותאמת אישית, נמצא בחזית של מהפכה. השאיפה שלו ברורה, גם אם הוא מודה ביושר שהמדע עדיין לא שם: המודלים שהוא מפתח נועדו למפות את המנגנונים הללו, לזהות את ה"באג" הספציפי בתוכנה המוחית, ולהתאים את המפתח הנכון לכל מנעול נפשי.

"אנחנו נמצאים רק בהתחלה", הוא מסביר בעברית רכה עם מבטא אמריקאי, "אבל החזון הוא להפסיק לנחש. כיום פסיכיאטר נותן תרופה ומחכה חודשיים כדי לראות אם היא עוזרת. זה זמן יקר של סבל אנושי. המטרה שלנו היא להשתמש ב'בדיקת דם דיגיטלית' – מטלות חישוביות שמודדות איך המוח מעבד מידע – כדי לדעת מראש מהו המנגנון שזקוק לתיקון ואיזה טיפול יביא להקלה המהירה ביותר".

המוח כמערכת למידת חיזוק

בבסיס המחקר של ד"ר שארפ עומד מושג ה"למידת חיזוק" (Reinforcement Learning). בעולם הבינה המלאכותית, זהו אלגוריתם המתאר כיצד מערכת לומדת לבצע פעולות אופטימליות על סמך פרסים ועונשים. ד"ר שארפ מיישם את המודל הזה על המוח האנושי, מתוך הבנה שהנפש שלנו היא מערכת שמנסה כל העת לנבא את העתיד.

"בעולם האמיתי, הניסיון ללמוד משכר ועונש הוא ממש מסובך", מסביר ד"ר שארפ. "אנחנו פועלים בסביבה שמשתנה כל הזמן. דמיינו בעל חיים ביער שמחפש אוכל; הוא לומד שבאזור מסוים יש פירות, אבל אז העונה משתנה והמזון נעלם. מה שהופך בני אדם לאינטליגנטיים זו היכולת להבין 'מה גורם למה'. אנחנו לא רק מגיבים לגירוי, אנחנו גם בונים מודל פנימי של המציאות. הפרעות נפשיות הן לעיתים קרובות סטייה בפרמטרים של המודל הזה – המוח פשוט מבצע 'חישוב' לא נכון של המציאות".

כאן נכנסת הפסיכיאטריה החישובית. שארפ טוען שאפשר לנסח את חוקי הנפש באמצעות מודלים מתמטיים. "מה שקורה במוח אפשר להסביר רק אם מכירים את הסביבה והסיטואציה של האדם". 

בכל צומת במבוך, הנבדק צריך לבחור – ימינה או שמאלה. כל בחירה מובילה להסתעפות חדשה

 

 

לראות את המחשבה בזמן אמת: מהפכת החיישנים הקוונטיים

עד היום, כדי לראות מה קורה בתוך המוח עמדו בפני חוקרים שתי אפשרויות עם מגבלות קשות: MRI, שנותן תמונה טובה של מבנה המוח אבל הוא איטי ודורש מהנבדק לשכב כמו פסל בתוך צינור רועש; או EEG (אלקטרודות על הקרקפת), שהוא מהיר מאוד אבל לא תמיד מדויק במיקום הפעילות הנבדקת במוח.

ה- Optically Pumped Magnetometers Magnetoencephalography או בקצרה OPM-MEG הוא ה"דור הבא". מדובר בחיישנים קוונטיים זעירים שמוצמדים לקרקפת בתוך קסדה קלה, שעובדת באופן הבא:  כל מחשבה שלנו היא למעשה זרם חשמלי שעובר בין נוירונים. כל זרם חשמלי כזה מייצר שדה מגנטי זעיר. החיישנים של ה- OPM-MEG מסוגלים למדוד את השדות המגנטיים האלו ברזולוציית זמן בלתי נתפסת של אלפיות השנייה.

המהפכה הגדולה היא שהחיישנים האלו לא דורשים קירור קיצוני כמו במכשירי MEG ישנים, ולכן הם יכולים להיות צמודים לראש מה שמאפשר לנבדק לזוז, לדבר ולפעול באופן טבעי. שארפ מסביר שזה קריטי: "קבלת החלטות בחיים האמיתיים היא תהליך דינמי. כשמישהו תקוע ב-MRI הוא לא באמת מקבל החלטות כמו שהוא מקבל אותן ברחוב או בבית. ב- OPM-MEG אנחנו רואים את המוח 'חושב' בזמן אמת, בסיטואציה טבעית".

ניווט ממוחשב: מה קורה במבוך המנטלי של המוח החרדתי?

אחד הכלים המרכזיים שבהם ד"ר שארפ משתמש עם ה- OPM-MEG הוא מבוכים ממוחשבים. לרובנו מבוך מתחבר אולי למשחק ילדים או לסרטי אימה, אבל עבור חוקרי מוח, זהו הכלי האולטימטיבי למדידת אינטליגנציה ותכנון. 

ד"ר שארפ משתמש בהם כדי לבנות "מפות של אפשרויות". בכל צומת במבוך, הנבדק צריך לבחור – ימינה או שמאלה. כל בחירה מובילה להסתעפות חדשה. זהו "עץ החלטה" מתמטי. חוקרים כמו שארפ יכולים לראות דרך המבוך הא הנבדק סורק את כל האפשרויות, אם הוא מתמקד רק בטווח הקצר, או אם הוא נתקע בלולאות מחשבתיות, "לופים", של דאגה בנקודה מסוימת.

המבוך בודק איך המוח בונה מפה קוגניטיבית. בעזרת ה- OPM-MEG ד"ר שארפ יכול לזהות סימנים לכך שכשהנבדק עומד בפתח המבוך, המוח שלו מריץ קדימה את המסלול עד ל"פרס" הנכסף. 

במבוכים של ד"ר שארפ, בכל תחנה יש תמונה ייחודית. "אנחנו יכולים לזהות ב-OPM-MEG את הקוד החשמלי הספציפי שהמוח מייצר כשהוא רואה תמונה של עץ, לעומת תמונה של בית במבוך", הוא מסביר. "כך, כשהנבדק עוצם עיניים וחושב, אנחנו יכולים לקבל רמזים על איזו תחנה במבוך הוא חושב עכשיו, גם אם הוא לא אמר מילה. אנחנו מזהים סימנים לכך שהוא 'מנווט' בדמיון שלו לעבר המטרה".

נוסף על כך, באמצעות אלגוריתמים של למידת מכונה (Machine Learning), ד"ר שארפ מצליח לזהות דפוסים בפעילות המוח, שמהווה חתימה ייחודית לכל אדם. "ראינו שהמוח של נבדק לא הפעיל אזורים מסוימים במפת הניסוי, וכשביקשנו ממנו לצייר אותה – האזורים האלו באמת היו חסרים. יש קורלציה מעניינת בין התהליכים בתת-מודע שאנחנו מודדים לבין מה שהאדם יכול לתאר במילים ובציורים".

לשני אנשים עם חרדה יכולים להיות מנגנונים שונים לגמרי: "לאחד יש בעיה בתכנון העתיד, ולשני יש בעיה עם חוסר ודאות"

 

 

עצי ההחלטה האינסופיים: חרדה ככשל בתכנון 

כשאנחנו חושבים על חרדה, אנחנו חושבים על רגש. ד"ר שארפ מציע להסתכל על זה ככשל ביכולת לתכנן. "אדם חרדתי מתכנן את העתיד בצורה מוטה", הוא מסביר. "בכל רגע של קבלת החלטה, המוח בונה 'עץ החלטות'. אצל אדם חרדתי, המוח נתקע בלולאות אינסופיות של תכנון תרחישים שליליים. הוא סורק שוב ושוב רק את הסכנות. זה בזבוז עצום של משאבים קוגניטיביים. המוח משקיע מאמץ אדיר בלדמיין חוסר ודאות, ואנחנו חשים זאת ככאב, 'כאב של הדאגה'".

באמצעות מודלים מתמטיים, ד"ר שארפ מצליח לאמוד את רמת הרגש של הנבדק. "המודלים שלנו בודקים את המנגנונים במוח שפועלים כשמישהו מדמיין או מחליט, ומנסים להבין למה הוא עושה את זה, אם אנחנו יודעים מהו הערך שהאדם מייחס לאופציה מסוימת, המודל יכול לאמוד את הסבירות של הרגש שלו", הוא מסביר. "לשני אנשים עם חרדה יכולים להיות מנגנונים שונים לגמרי: "לאחד יש בעיה בתכנון העתיד, ולשני יש בעיה עם חוסר ודאות. המודלים שלנו יכולים למדוד את זה ולהתאים לזה טיפול אישי".

דיכאון: כשהמטרות הופכות למלכודת

אז מה קורה במוחו של אדם דיכאוני כשהוא מקבל מחמאה? ד"ר שארפ מפרט: "בדיכאון, ברור שאנשים לא שמחים כמו בעבר. אחת התיאוריות היא שיש משהו בסיסי שנקרא 'רגישות לפרס' (Reward Sensitivity). במודלים שלנו זה פרמטר. אם הפרמטר הזה משתבש, זה כל הסיפור". 

"לבני אדם יש גמישות מדהימה בפרשנות של שכר ועונש", הוא אומר. "דמיינו שאתם ילד שמשחק כדורסל ומישהו מכה לכם בזרוע. בסיטואציה רגילה זה מרגיש כמו עונש. אבל אם בדיוק עברת לחטיבה ושם גילית שמי שדוחף נחשב ל'קשוח' ומגניב, פתאום אותו גירוי פיזי יהפוך עבורך לפרס". 

אצל אדם דיכאוני, הדינמיקה הזו משתבשת. "המוח אצלו אולי מזהה את הפרס, אבל הוא לא מצליח לעדכן את המטרות שלו או לייחס לפרס הזה משקל בחישוב העתידי. הוא נשאר תקוע בחישוב שבו שום דבר לא ישתפר, מה שמוביל לייאוש מוחלט".

ד"ר שארפ מרחיב: "ישנה אפשרות נוספת, ייתכן שהבעיה היא באופן שבו אנחנו בונים את המטרות שלנו. מערכת המטרות עלולה להיבנות בצורה כזו שהן לעולם לא בנות-השגה, ואז האדם שבדיכאון מרגיש מתוסכל, מאבד את ה'דרייב' ומוותר. זה משהו אחר לגמרי מלמידת שכר ועונש פשוטה שמתמקדת רק בגירוי, וזה דורש הבנה עמוקה של הדינמיקה הזו".

החזון: רפואה מותאמת אישית בעקבות "בדיקת דם דיגיטלית"

כחלק מפעילותו במרכז דנגור לרפואה מותאמת אישית, ד"ר שארפ שואף לשנות את הדרך שבה פסיכיאטרים מאבחנים. "היום אבחון מבוסס על שאלות סובייקטיביות, אבל בעוד 20 שנה אני מקווה שתהיה לנו מערכת מדויקת יותר. המטרה היא להשתמש במטלות מחשב – מעין 'בדיקת דם דיגיטלית' – מבחן של 20 דקות מול מסך שבו המטופל מקבל החלטות - כדי למפות את המנגנון הספציפי של המטופל".

"זה חלק מ'מדעי מוח טבעיים '(Natural Neuroscience)," הוא מסביר. "אנחנו יכולים לראות את המוח בתהליך התכנון. אם מישהו אומר 'אני בלופ', אנחנו רוצים לדעת מה זה בדיוק הלופ הזה. האם הוא נתקע כי יש לו חוסר יכולת לדמיין, או שהוא פשוט רוצה לדעת את כל האופציות?"

כשד"ר שארפ נשאל על רגע שבו המדע באמת הפתיע אותו, הוא מספר על הכוח של המתמטיקה לחזות דפוסי חשיבה. "בנינו מודל שחוקר איך אנשים מתכננים צעדים בתוך מפה של אפשרויות. התיאוריה המתמטית הראתה שאם המוח מתחיל את הדמיון בנקודת המטרה בעתיד ועושה תכנון לאחור (Backward Planning) לכיוון ההווה – זה הרבה יותר יעיל חישובית".

ההפתעה הגיעה כשהמודל פגש את המציאות במעבדה. "הרצנו שבעה ניסויים שונים, ובכל פעם התוצאות הראו שבני אדם אכן משתמשים באסטרטגיית התכנון לאחור הזו. זה היה רגע של 'וואו', לראות שחוקים מתמטיים מופשטים מסבירים את הדקויות של המחשבה האנושית. הממצא הזה פורסם ב-Nature Human Behaviour, ועכשיו אנחנו מנסים לראות את זה קורה בזמן אמת במוח באמצעות ה- OPM-MEG".

"זה היה רגע של 'וואו', לראות שחוקים מתמטיים מופשטים מסבירים את הדקויות של המחשבה האנושית"

 

הכאב של חוסר הוודאות: הסבל האנושי כמנוע למחקר

הרעיון מאחורי מחקריו של ד"ר שארפ הוא למצוא כלים לצמצום או למניעת סבל. הוא מספר על ניסיון קליני כואב מתקופת הדוקטורט שלו כפסיכולוג קליני בארה"ב. "הסבל האנושי הוא מה שמניע אותי", הוא משתף בכנות. "כשטיפלתי באנשים, הרגשתי סבל ספציפי כחוקר – הסבל שנובע מזה שאין לנו תשובות טובות. המטופל מגיע עם דיכאון, ואנחנו אומרים לו 'נסה את התרופה הזאת', כשאנחנו יודעים שזה עובד רק בחלק מהמקרים ואנחנו לא באמת יודעים למה".

עבור ד"ר שארפ, חוסר הידע המדעי הוא פצע פתוח. "המטופל סובל פעמיים: מהדיכאון עצמו, ומחוסר הוודאות לגבי מה יעבוד עבורו. הסבל הזה שראיתי בעיניים של המטופלים שלי הוא הדלק שלי. אני לא יכול להשלים עם מציאות שבה האבחון הוא רק אינטואיטיבי".

סיפורו האישי של ד"ר שארפ שזור עמוק בתוך עבודתו. הוא גדל בפילדלפיה ועלה לישראל באוקטובר 2024, בעיצומה של המלחמה. "למרות המלחמה רצינו להיות פה. היינו בניו יורק ליד אוניברסיטת קולומביה, ושמענו סיפורים מטורפים על אנטישמיות. אפילו חברים שגדלו איתי בבית ספר יהודי, חושבים פתאום שישראל היא מדינה טרוריסטית. זה היה עצוב מאוד".

ההחלטה להגיע לישראל הייתה קשורה גם למשפחתה של אשתו הישראלית. "אחותה של אשתי היא מכפר עזה, וזה היה נס שהיא לא הייתה שם באותה שבת בשבעה באוקטובר. ראיתי את הסבל של אשתי – היא רצתה להיות פה בארץ, ולא הייתה מסוגלת להיות בארצות הברית כשיש כאן מלחמה. גם כשהיינו שם במשך שנה, דיברנו ותכננו כל הזמן את החזרה לכאן". 

ד"ר פול שארפ: "המודלים שלי הם לא תחליף לנשמה או לקשר האנושי, הם הדרך להעניק עזרה מדויקת יותר בתוך היקום המורכב הזה". צילום: קרן עזריאלי

 

מתמטיקה היא לא ההפך מרגש

לשאלה האם הפיכת הנפש למתמטיקה לא תמחק את האנושיות שלנו, ד"ר שארפ עונה בנחישות: "הסיפור לדעתי הוא הפוך. אנחנו צריכים להרחיב את מה שנתפס בעינינו כמתמטיקה. אנחנו נוטים לחשוב שהיא קרה ומנוכרת לרגש, אבל היא למעשה השפה שמתארת את היקום – והרגשות שלנו הם חלק מהיקום הזה.

"המתמטיקה לא מוחקת את המסתורין של החיים. גם אם יהיו לנו מודלים מושלמים, תמיד יהיה חוסר ודאות, כי אין לנו מספיק חומר ביקום כדי לחשב את כל הפרטים של חיי אדם. המודלים שלי הם לא תחליף לנשמה או לקשר האנושי, הם הדרך להעניק עזרה מדויקת יותר בתוך היקום המורכב הזה. כשמבינים את החוקיות שמאחורי הסבל, אפשר להתחיל לרפא אותו באמת". 

ד"ר פול שארפ מוביל את מעבדת שארפ למנגנונים חישוביים של קוגניציה ופסיכופתולוגיה במחלקה לפסיכולוגיה ובמרכז גונדה לחקר המוח באוניברסיטת בר-אילן, וחוקר במרכז דנגור לרפואה מותאמת אישית

קרדיט צילום תמונה ראשית: קרן עזריאלי.