כיצד המוח האנושי מנחה אותנו בתנועות בעולם חסר וודאות?

בכתבה הזאת אני אדבר על קונספט מדעי נחקר שנותן פתח ליישום בתחומי תנועה רבים

הכתבה הזו נכתבה בהשראת החוקר הבריטי פרופסור דניאל וולפרט, נוירוביולוג ומהנדס אשר מוביל מחקר של הנוירוביולוגיה החישובית בנושא השליטה הסנסומוטורית ולמידה. הוא עובד בפיתוח מודלים חישוביים והסתברותיים שמנסים לתאר כיצד המוח האנושי מבצע פקודות מוטוריות. לטענתו הסיבה האבולוציונית היחידה שבגללה נוצר מוח באורגניזמים היא כדי לייצר תנועות מורכבות.

המוח משלב קלט תחושתי עם ידע קודם על העולם כדי להנחות את התנועה שלנו. דוגמאות לכך ניתן לקחת מעולם משחקי הכדור וענפי ספורט נוספים. בטניס לדוגמא המוח מחליט היכן ינחת כדור טניס שמוגש אלינו וזה ינחה את הגוף שלנו להגיב בהתאם. בתהליך הזה מעורבת מחשבה מודעת וחישוביות רבה. הצלחה בביצוע מדויק מתבססת על ניסיון עבר שכולל זכירה של הגשות ישנות, הגשות של היריב הנוכחי והתנהגות בלתי יציבה של כדורי טניס (מכיוון שכדורים לא נעים באותה הצורה). רוב האינפורמציה התחושתית עוברת דרך הראיה, התמצאות בעיוותים ברצפה של המגרש, תנועה של השחקן והמסלול של הכדור שמגיע. הניסיון המצטבר של שחקני טניס מפצה על מקרים כגון יריב בעל התנהגות חדשה במגרש שיודע להגיש את הכדור בספין מפתיע. כלומר, למיומנות יש יכולת להפחית את המרחב של חוסר וודאות.

המוח מחליט היכן ינחת הכדור, ככל שהניסיון גדל ההסתברות לשגיאה קטנה

אצל שחקנים חסרי ניסיון מתקיים עיוורון קשבי, כלומר, נעלמת אינפורמציה שכן נתפשת בחושים שלנו אבל לא נתפשת בתודעה. זה קורה הרבה פחות בשחקנים מנוסים אשר מגיעים למיצוי טוב של האינפורמציה שמגיעה אליהם במהלך הפעיל של המשחק.

כאן נכנסת ההסתברות בייסיאנית שבה מכמתים את ההסתברות של מאורע מסויים (הצלחה בביצוע מטלה) ואת ההסתברות לשגיאה אשר פוחתת עם המיומנויות. החוק הבייסיאני להסתברות גבוהה בהצלחת ביצוע מטלה מושתת על זיכרון לטווח קצר ועל ניסיון קודם.

נתאר עכשיו ניסוי שנעשה על בוגרים שאינם ספורטאים מול מסך שבו מציגים כדור שמופיע 2000 פעמים במיקומים שונים. בכל פעם הם היו צריכים להצביע על היכן הכדור יהיה ממוקם. ככול שהניסוי המשיך, הביצוע היה מדויק יותר. תוצאה זו מציעה שיש למוח יכולת לחזות היכן הכדור עשוי להופיע.

המחקר הזה מאפשר לבצע מניפולציות על הזמן שניתן לקליטה הראייתי. זו שיטה שיכולה להיות טובה לבדיקה קלינית של הפרעות מוטוריות. בדוגמא הזאת אני לא מביא את המנגנון העצבי שמתרחש כאן, אך עצם קיום השיטה מאפשר לבדוק פעילות של אוכלוסיות תאי עצב שונות בהינתן הקצבות זמן שונים למשימה. חשוב לציין שהמיומנות בשיטה הזאת אינה מבוססת על טכניקה בכלל, דבר שמפחית את הרעש של הבדיקה. בתחומי ספורט שדורשים מיומנויות כאלו, הקטנת חוסר הוודעות התחושתית והמוטורית היא הדבר הראשון שיושב בבסיס המיומנות לפני שמדברים על טכניקה.

"We note that the performance in our ball catching game was explained by the subject's sensory and motor uncertainty and did not depend on specific movement strategies; this may suggest that, in related sports disciplines, technique is ultimately less important than simply having the lowest possible (innate) sensory and motor uncertainties."

הניסויים הללו הראו שהנבדקים חייביים לצבור ניסיון בטעויות על מנת ללמוד להפחית את החוסר וודאות במהלך התפישה ובמהלך הביצוע.

פרוטוקול שבו נבדק מתנסה מספר רב של פעמים בניבוי לפי הקלט הראייתי וזמן לביצוע תנועה

"We show here that subjects must have some form of explicit knowledge of their sensory and motor error as a function of time (and distance) because they are able to combine perceptual and action uncertainty (asynchronously) across time."

היכולת של המוח לנבא עוזרת להסביר למה לבני אדם יש יכולת לנוע בצורה שמסתגלת*** לסיטואציות בצורה הרבה יותר טובה מרובוטים. רובוטים בימינו צריכים לסיים או לעצור משימה אחת, להפסיק אותה ואז לעבור למשימה אחרת. למוח בשונה ממכונות יש יכולת לחשב את התוצאה של תנועות עתידיות לפני שמתחילים לבצע אותן. אם ימצאו את התשובה כיצד המוח מסתגל לתוצאה של התנועה בכזאת יעילות זה יכול לשפר את ההבנה של רובוטיקה. לפי וולפרט, אם תהיה את ההבנה כיצד המוח יכול לתפקד במהלך למידה רגילה, נוכל לעזור בצורה טובה יותר בשיקום נפגעים משבץ. על כן, ההיבט החישובי של הלמידה המוטורית יכול לשפוך אור על המעגלים העצביים שבה החישוביות מתרחשת. דבר זה יכול לעזור בטיפול במחלות שפוגעות בתפקודים הגבוהים של המוח כגון סכיזופרניה, אלצהיימר ואוטיזם על ידי מתן אפשרות לקלינאים למקם את המעגל העצבי שבו מתקיימת בעיה תפקודית, לשקם אותו או להחליפו בתפקוד אחר על ידי הפעלת נתיב עצבי אחר.

עכשיו נחזור לטניס, לשחקן נדרשת יכולת להחליט מתי לחבוט בכדור כדי להפחית את השונות במשימה. ככל שהשחקן משקיע יותר זמן בקבלת הכדור, הוודאות שלו היכן הכדור ינחת תגדל, אך אם הוא יחקה יותר מדי זמן, זה יבוא על חשבון התגובה שלו. לכן הדרך לבדוק זאת היא על ידי חישוב הזמן המושקע עבור כל אחד מן המרכיבים במשימה. זה מתבסס על ההנחה כמובן שהמרכיבים האלו מחושבים באופן בלתי תלוי. חישוב הזמן עבור כל אחד מהמרכיבים יעזור להבין מה הוא הערך שמאפשר קבלת שונות קטנה, במילים פשוטות יותר, מציאת היחס בין חישה (מעקב אחר הכדור באוויר) לפעולה (הנפת המחבט) על מנת להגדיל את סיכוי ההצלחה.

היבט נוסף, שמרחיב את הדברים שאמרתי קודם על ניסיון הוא למידה הבנייתית (structural learning) שבו המתרגל צובר במהלך תקופת ניסיון יכולת לעבוד עם חפצים שונים שחולקים קווים משותפים מבחינת הפונקציה שלהם. מהתנסויות מהסוג הזה נובעת ההמלצה לתת למתרגל ללמוד את החפץ החדש דרך משימות בסיסיות מאוד לפני שעוברים למשימות המורכבות. כאשר הבסיס ההבנייתי הוא נכון, עקומת הלמידה היא גבוהה מאוד בגלל שמתאפשר יישום של ניסיון רב על חפץ חדש לגמרי. כאשר משנים פרמטרים בספורט, אם נמשיך להיצמד לדוגמא של הטניס, כגון: סוג המחבט, תוואי השטח, מסת הכדור, המתרגל יצטרך לבצע תיקונים תנועתיים ביחס לעולם החיצון.

נוסיף שבטניס נכנס תהליך של תגובה מידתית, כפי שהזכרתי קודם על תנועה מסתגלת, כאשר הכדור פוגע במחבט, המתרגל נדרש להפעיל את הנוקשות השרירית הדרושה כדי לשלוט בעוצמה של המכה, דבר שדורש יכולת סנסומוטורית גבוהה. הבעייתיות שעולה כאן היא שלתגובה הזאת לא מספיק יכולת בלתי נלמדת של רפלקס מונוסינפטי פשוט של מתיחה בשרירים (רפלקס שנשאר ברמת חוט השדרה נטו בלי מעורבות של המוח), אלא דרושה כאן פקודה סופרספינלית (שמקורה במוח) אשר מאופיינת במסלול עצבי הרבה יותר ארוך. ככל שהמרכיב של חיזוי גדל, גם השגיאות קטנות וגם הקשיות נעשית קטנה.

בהיסטוריה המחקרית מצאו יחסי גומלין חלשים בין שליטה מוטורית ותחומים קוגניטיביים כגון לקיחת החלטות ותשומת לב. בשנים האחרונות, חוקרים בתחום הסנסומוטורי הרחיבו את היקף המשימות במחקרים, דבר שיצר טשטוש בין יכולת סנסורימוטורית, תפישתית, רכיבים קוגניטיביים ובחירת פעולות לצורך נקיטת החלטות. הטשטוש הזה מראה כמה יחסי הגומלין בין מוטוריקה לקוגניציה אכן מתקיימים. דוגמא לכך היא תחום אחד שנחקר בנוגע ללקיחת החלטות ויצירת יוזמה מוטורית מתאימה, הראתה שהרבה אנשים טועים בביצוע משימות קוגניטיביות כאשר נפגשים מול החלטות שיש בהן חוסר וודאות לגבי התוצאה. בעוד שאנשים שמקבלים התנסות בווריאציות מוטוריות שונות של אותה המשימה, הם מתקרבים להתנהגות האופטימלית כאשר הם מקבלים לאחר מכן משימה דומה אך בווריאציה קצת שונה.

איך ניתן ליישם את העקרונות הללו בעולמכם המקצועי?

ההרצאה של דניאל וולפרט

לעוסקים בטניס ובספורט משחקי https://www.sciencedirect.com/…/artic…/pii/S0960982210005129

מאמר שעוסק בחיזוי של תנועת כדור בקרב אנשים שאינם ספורטאים Faisal, A. Aldo, and Daniel M. Wolpert. "Near optimal combination of sensory and motor uncertainty in time during a naturalistic perception-action task." Journal of neurophysiology 101.4 (2009): 1901-1912. https://www.physiology.org/doi/abs/10.1152/jn.90974.2008