כשהביולוגיה והמתמטיקה נפגשות

פרופ’ רון מאיר מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון חוקר למידה של מערכות טבעיות ומלאכותיות ואת האופן שבו הן מסתגלות לסביבתן ולתנאים המשתנים. “מערכות טבעיות וגם מערכות מלאכותיות יכולות להתאים את עצמן לסביבה משתנה ולהסתגל אליה באמצעות התנסויות וקבלת משוב ממנה”, הוא אומר. “כך למשל, תינוקות, פעוטות וילדים לומדים על העולם כמעט ללא הדרכה. יש להם יכולות מוחיות, שכליות, קוגניטיביות והתנהגותיות אשר מאפשרות להם לקלוט מידע במהירות רבה. השאיפה היא להצליח לפתח יכולות כאלו גם במערכות מלאכותיות. למשל, לגרום לרובוטים ללמוד לבצע פעולות (כגון ניקיון הבית) באמצעות משוב שיקבלו מהסביבה, מבלי שנצטרך להסביר להם, מראש, כל תרחיש אפשרי. אבל אנחנו עדיין לא שם”.

במחקרם האחרון ביקשו פרופ’ מאיר וצוותו להסביר באופן מתמטי ורעיוני כיצד מערכות ביולוגיות – ובעיקר מערכות חישה – מסתגלות לסביבה; מהם עקרונות הפעולה שלהן וכיצד הן משיגות ביצועים אופטימליים. הם התמקדו במערכת הראייה הראשונית – מכלול איברי החישה והמסלולים העצביים המאפשרים ליונקים לראות – וחקרו את האופן שבו היא מסתגלת לשינויים, מתאימה את עצמה לתרחישים חדשים ומקודדת מידע חזותי ביעילות.

מערכת הראייה קולטת מידע חזותי, שמקורו באור המגיע לעין, הופכת אותו לאותות עצביים, מעבדת אותו במוח ומגבשת בעזרתו תפיסה של הסביבה. אצל בני אדם היא המפותחת מבין מערכות החושים וביצועיה עולים על אלה של מערכות הראייה הממוחשבות המתקדמות ביותר.

באמצעות תיאוריות של עיבוד אותות ובקרה, בנו החוקרים מודל מתמטי שיטתי עקרוני שבאמצעותו הסבירו את תופעת קידוד המידע החזותי הלא אחיד. לדברי פרופ’ מאיר, “תגובתיות תאי הרשתית (מסך העין שנמצא בחלק האחורי שלה, שעליו מתקבלת התמונה שמועברת למוח), משתנה בהתאם לתנאי הסביבה, וכך נשמרת רמת ביצועים גבוהה. כך למשל, במעבר חד מאור לחושך, העין והמוח עוברים תהליך הסתגלות מהיר ומזהים עצמים בתוך שניות אחדות”.