הדרך להבנת המוח עוברת במאה טריליון קשרים
ההמולה של מיליארדי תאי מוח המנסים לתקשר זה עם זה עשויה לשמש רמז חיוני להבנת התודעה. אבל קודם המדענים מוכרחים לעשות קצת סדר בתוך הבלאגן
אם נשים תא עצב יחיד בצלחת פטרי, הוא ישמיע לעצמו קולות פצפוץ עליזים. מפעם לפעם הוא ייצר באופן ספונטני גל של זרם חשמלי שיעבור לאורכו. אם נשגר פעימות חשמל לקצה אחד של התא, הוא עשוי להגיב ביצירת אותות חשמליים נוספים משלו. אם נשרה את תא העצב בתמיסה של מוליכים עצביים (נוירוטרנסמיטרים), נוכל לשנות את העוצמה ואת התזמון של הגלים החשמליים.
כשהוא לבדו בצלחת, פעולתו מוגבלת. אבל אם ניקח 302 תאי עצב נקבל מערכת עצבים המאפשרת לקיים בחיים את התולעת Caenorhabditis elegans. מערכת המסוגלת לחוש את סביבתה של התולעת, להחליט החלטות ולשגר פקודות לגופה. שימו יחדיו 100 מיליארד תאי עצב, עם 100 טריליון קשרים ביניהם, וקיבלתם מוח אדם המסוגל להרבה הרבה יותר מכך.
מוח וזיכרון
איך בונה המוח את סיפור חיינו?
מגזין מכון ויצמן
כיצד מתחבר כל המידע החושי המגיע ממקורות שונים לסיפור שלם ורציף? מדעני מכון ויצמן גילו פעילות עצבית בהיפוקמפוס שבמוח, הקשורה ביצירת זכרונות חדשים ולובשת דפוס עקבי ומוגדר במשך הזמן
הדרך שבה תודעתנו עולה ונוצרת מתוך שפע תאי העצב שלנו עודנה שרויה במסתורין עמוק. זוהי שאלה מן הסוג שלמדעי העצב, על כל הישגיהם, אין די כלים לענות עליה.
מקצת המדענים מקדישים את הקריירות שלהם כדי לחקור תאי עצב יחידים. אחרים בוחרים בקנה מידה גדול יותר: הם מבקשים, למשל, לבדוק כיצד ההיפוקמפוס, צֶבֶר של מיליוני תאי עצב, מקודד זיכרונות.
אחרים מבקשים לחקור את המוח בקנה מידה גדול אף יותר, ולהסתכל על האזורים המופעלים כשאנחנו מבצעים מטלות מסוימות, כמו קריאה, או כשאנחנו חשים פחד. אך רק מעטים ניסו לחשוב על המוח בכל הרמות בעת ובעונה אחת.
אחת הסיבות להימנעות זו היא פשוט גודל האתגר. די באינטראקציות שבין מספר קטן של תאי עצב כדי לגרום בלבול בשל סבך קשרי המשוב האפשריים ביניהם. הוסיפו 100 מיליארד תאי עצב נוספים למשוואה ותקבלו מטלה שתגרום לכם כאב ראש קוסמי.
ואולם, יש מדענים הסבורים שהגיע הזמן להתמודד עם האתגר. הם טוענים שלעולם לא נבין באמת כיצד התודעה עולה ונוצרת מתוך מערכת העצבים אלא רק אם נפרק את המוח לחלקים שאין ביניהם כל קשר.
ההסתכלות על החלקים היא כמו ניסיון להבין כיצד מים קופאים באמצעות חקר מולקולת מים אחת. "קרח" הוא מושג חסר משמעות בקנה המידה של מולקולות יחידות. הוא צף ועולה רק מתוך האינטראקציות של מספר עצום של מולקולות המסתדרות בצורה גבישית.
מסובך כמו מניות
למרבה המזל, חוקרי מערכת העצבים יכולים לקבל השראה מחוקרים אחרים שבחנו מערכות מורכבות במרוצת עשרות שנים, מן הבורסה לניירות ערך עד מעגלים חשמליים במחשב ועד יחסי הגומלין שבין גנים וחלבונים בתא יחיד.
אולי קשה לחשוב על המשותף בין תא ובין הבורסה, אבל חוקרים גילו מכנים משותפים בין כל המערכות המורכבות שנחקרו עד כה. הם גם פיתחו כלים מתמטיים שיכולים לשמש בניתוח אותן מערכות. חוקרי המוח מתחילים להשתמש בכלים האלה כדי להבין את מורכבות המוח. זוהי רק תחילת הדרך, אך התוצאות עד כה מעודדות.
המדענים מתחילים לגלות את החוקים שעל פיהם מאורגנים מיליארדי תאי עצב ברשתות הפועלות יחד כרשת-על אחת לכידה: המוח. הדרך שבה מאורגנת רשת העל, לדעת המדענים, חיונית ליכולתנו להבין את העולם המשתנה ללא הרף. וחלק ממחלות הנפש הקשות ביותר, כמו סכיזופרניה ושיטיון (דמנציה), עשויות לנבוע, לפחות באופן חלקי, מהתמוטטות אחת הרשתות במוח.
תאי עצב יוצרים רשתות על ידי הצמחת שלוחות המכונות אֶקסוֹנים ואלה יוצרים קשרים עם תאי עצב אחרים. קשרים אלו מאפשרים לאות העצבי הנע לאורך תא עצב אחד לייצר גלי זרם בתאי עצב אחרים.
מכיוון שכל תא עצב יכול להתחבר לאלפי תאים אחרים, הן בקרבת מקום והן בצד השני של המוח, מספר הסידורים האפשריים של רשתות עצביות הוא מספר בלתי נתפס. לדרך שבה מתארגנות הרשתות המסוימות המאפיינות את המוח שלכם יש אפוא השפעה עצומה על אופן הפעילות שלו.
בניית מוח צעצוע
איך בדיוק חוקרים את הרשתות העצביות במוח? אילו ניסויים יכולים המדענים לבצע כדי לעקוב אחר מיליארדי קשרים בתוך הרשת? אפשרות אחת היא לבנות מודל ממוזער של המוח, היכול להדגים מה קורה כשתאי עצב מתקשרים ביניהם באופנים שונים.
אוֹלָף סְפּוֹרְנְס מאוניברסיטת אינדיאנה ועמיתיו הכינו מודל כזה. הם יצרו הדמיית מחשב של 1,600 תאי עצב, וסידרו אותם במערך סביב שטח פנים כדורי. הם חיברו כל אחד מתאי העצב לכל התאים האחרים. בכל רגע נתון, לכל אחד מתאי העצב יש סיכוי קטן לירות אות חשמלי באופן ספונטני. מרגע שתא עצב יורה, יש לו סיכוי קטן לגרום גם לתאי עצב אחרים המחוברים אליו לירות.
ספורנס ועמיתיו שיחקו עם הקשרים בין תאי העצב וצפו במוח הצעצוע שלהם בפעולה. ראשית, הם חיברו כל תא עצב רק לשכניו המיידיים. ברשת עצבית זו, המוח ייצר גלי פעילות קטנים ואקראיים. כשתא עצב ירה באופן ספונטני, הוא יצר גל של חשמל שלא התקדם למרחק רב. לעומת זאת, כשחיברו ספורנס ועמיתיו כל תא עצב לכל תא עצב אחר במוח כולו, התקבלה תבנית פעילות שונה לגמרי. המוח כולו החל לפעול במרווחי זמן סדירים.
לבסוף, המדענים סיפקו למוח רשת ביניים, שבה תאי העצב קשורים ביניהם הן בקשרים מקומיים והן בקשרים ארוכי-טווח. כעת, המוח נעשה מורכב. כשהחלו תאי העצב לירות, הם יצרו טלאים גדולים של פעילות שהתערבלו סביב המוח. חלק מן הטלאים התנגשו זה בזה, חלק נעו במוח במעגלים.
מוח הצעצוע של ספורנס מספק שיעור חשוב על הדרך שבה מופיעה מורכבוּת. ארכיטקטורת הרשת העצבית היא שמעצבת את תבנית הפעילות. ספורנס וחוקרים אחרים משתמשים בתובנות שהם מקבצים ממודלים של המוח כדי לחפש תבניות דומות במוחות האמיתיים שבראשינו.
למרבה הצער, המדענים אינם יכולים לנטר כל תא ותא במוח האמיתי. לכן הם משתמשים בשיטות מתוחכמות כדי לרשום את הפעילות במספר מצומצם באופן יחסי של תאי עצב ומסיקים מסקנות רחבות היקף על סמך התוצאות.
מוחות בצלחת
דיטְמַר פְּלֶנץ, חוקר מוח במכון האמריקני לבריאות הנפש, ועמיתיו בחנו את ארכיטקטורת המוח באמצעות גידול פיסות של רקמת מוח שגודלן כגודל גרגרי שומשום בצלחות פטרי.
הם נעצו 64 אלקטרודות בפיסות הרקמה וצותתו לפעילות העצבית הספונטנית של התאים. האלקטרודות שלהם זיהו פעילות עצבית מהירה במקצב סטקטו, המכונה נחשול של פעילות עצבית (neuronal avalanche).
בתחילה, היה נדמה כי התאים פשוט מפצפצים באופן אקראי. אך לו היה הדבר נכון, הסיכוי של כל נחשול של פעילות עצבית זו להישאר זעיר או להתפשט היה שווה. אבל אין זה מה שגילו פלנץ ועמיתיו.
הנחשולים הקטנים היו הנפוצים ביותר. נחשולים גדולים היו נדירים, ונחשולים גדולים מאוד היו נדירים עוד יותר. כשמציבים אותם על גרף, מתקבלת עקומה יורדת חלקה: ככל שהנחשול גדול יותר קטנים הסיכויים להיווצרותו.
מדענים כבר נתקלו בעקומות כאלה בעבר. פעימות לב, למשל, אינן אחידות. רוב הפעימות קרובות באורכן לממוצע, מקצתן מעט ארוכות יותר ומקצתן מעט קצרות יותר. פעימות ארוכות או קצרות בהרבה מן הממוצע הן נדירות יותר, ואילו מספר הפעימות השונות במידה ניכרת מאוד מן הממוצע זעום.
לרעידות אדמה תבנית דומה. תזוזת לוחות היבשות גורמת לרעידות קטנות רבות ולמעט רעידות אדמה חזקות. במהלך מגפות, בדרך כלל, בכל יום נרשמים מעט מקרים חדשים, ומפעם לפעם יש התפרצות של מקרים רבים. אם נסרטט עקומה של פעימות לב, רעידות אדמה או מספר חולים חדשים, נקבל עקומה מעריכית יורדת.
עקומה זו, המכונה חוק החזקה, היא סימן ההיכר של רשתות מורכבות המכילות הן קשרים קצרי-טווח והן קשרים ארוכי-טווח. רעד בנקודה אחת על פני כדור הארץ יכול, במקרים מסוימים, להתפשט באזור מוגבל. במקרים נדירים, התנועה עשויה להשפיע על אזור נרחב בהרבה. תאי עצב פועלים באותו האופן. לעתים הם מעוררים רק את שכניהם הקרובים, ולעתים הם יכולים לחולל גל נרחב של פעילות חשמלית.
צורתה של עקומת חוק החזקה יכולה לספק למדענים רמזים על הרשתות שיצרו אותה. פלנץ ועמיתיו בחנו כמה רשתות עצבים אפשריות כדי לראות מי מהן תייצר נחשולים של פעילות עצבית הדומות לאלה שיוצרים תאי עצב אמיתיים.
ההתאמה הטובה ביותר התקבלה ברשת המורכבת מ-60 צברים של תאי עצב, כשכל צבר מחובר, בממוצע, ל-10 צברים אחרים. הקשרים לא היו פזורים באופן אקראי בין הצברים. למקצת הצברים היו קשרים רבים, ולרבים רק קשרים מעטים. כתוצאה מכך, מספר הקשרים של צבר נתון לכל אחד מן הצברים האחרים היה מועט. מדענים מכנים רשתות כאלה בשם "רשתות עולם קטן".
מתברר שרשת עצבית מסוג זה עשויה לעשות את מוחנו רגיש במיוחד לקלט של אותות, בדומה לאופן שבו מיקרופון רב עוצמה יכול להגביר מנעד רחב של קולות. פלנץ ועמיתיו השתמשו בגירויים חשמליים בעלי עוצמות שונות ומדדו כיצד מגיבים תאי העצב. הם גילו שגירויים חלשים מייצרים תגובות אצל מספר מוגבל של תאי עצב. גירויים חזקים מעוררים תגובה חזקה יותר בקבוצה גדולה יותר של תאים.
איך תא עצב ועוד תא עצב הופכים למוח בעל תודעה? (צילום: Index Open)
כדי לבחון כיצד מבנה הרשת משפיע על תגובה זו, הוסיפו פלנץ ועמיתיו לתאי העצב חומר המחליש את הקשרים ביניהם. כתוצאה מכך התאים לא הגיבו כלל לאותות חלשים. כשהזריקו חומר אחר שהגביר את הסיכוי של תאי העצב לירות בתגובה לאותות משכניהם, התקבלה תוצאה שונה: תאי העצב הגיבו בחוזקה לגירויים חלשים, ותגובתם הייתה חזקה כל כך עד שהיא השתוותה לתגובתם לגירויים חזקים.
הניסויים האלה הדגימו את רמת הדיוק שבה אפשר לכוונן רשתות עצביות וכיצד כוונון זה מאפשר להן להעביר אותות ברמת דיוק גבוהה. אם היו תאי העצב מאורגנים ברשת אחרת, הם היו מייצרים תגובה חסרת משמעות ובלתי לכידה.
חוקרי המוח מבקשים, בסופו של דבר, לדעת כיצד הפעילות בצלחת הפטרי קשורה לתהליכי תודעה יום-יומיים. כשמסתכלים על המוח כולו, הנסיינים מגלים תבניות של פעילות ספונטנית הדומה לזו שזיהה פלנץ בפיסות הזעירות של רקמת המוח.
מרקוס א' רייצ'ל מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס ועמיתיו גילו שגלי פעילות חשמלית יכולים לעבור ברחבי המוח כולו בתבניות מורכבות גם בשעה שאנחנו נחים ואיננו חושבים על שום דבר מיוחד. ניסויים עדכניים מרמזים שפעילות ספונטנית זו עשויה למלא תפקיד חיוני בחיי הנפש שלנו. היא עשויה לאפשר למוח הנח להרהר בפעילותו הפנימית, לסקור זיכרונות ולתכנן תכניות עתידיות.
ממפי המוח
כדי להבין כיצד גלי פעילות אלו מתנהגים, חוקרי המוח מנסים למפות את הקשרים בין תאי עצב במוח כולו. כשחושבים כמה היה קשה למדענים כמו פלנץ לפענח מה קורה בפיסת רקמה זעירה, אפשר להבין את גודל האתגר.
ספורנס מוביל את אחד ממפעלי המיפוי השאפתניים ביותר. בשיתוף עם פטריק הגמן מאוניברסיטת לוזאן וקבוצתו העוסקת בדימות פעילות עצבית, הוא ניתח נתונים שהתקבלו ממוחותיהם של חמישה מתנדבים בעזרת שיטה חדשנית של דימות בתהודה מגנטית המכונה DSI (diffusion spectrum imaging).
דימות בשיטה זו מאפשר לקבל תמונות של אקסונים המצופים בשכבה דקה של שומן, אותם סיבים ארוכים המחברים את האזורים השונים של קליפת המוח ומכונים "החומר הלבן". המדענים בחרו כמעט 1,000 אזורים של קליפת המוח ומיפו את הקשרים בחומר הלבן.
לאחר מכן יצרו המדענים גרסת הדמיה של 1,000 האזורים האלה וניסו לראות אילו תבניות היא תייצר. כל אזור יצר אותות שיכלו לנדוד לאזורים הקשורים אליו וגרמו לתאי העצב שם לשלוח הלאה אותות דומים.
כשהפעילו המדענים את המוח הווירטואלי הזה, הוא החל לייצר גלי פעילות ששינו מיקום באִטיות. למרבה הפלא, הגלים שנוצרו דומים לגלי פעילות אמיתיים שנצפו בידי רייצ'ל ואחרים במוחות בזמן מנוחה.
עתידנות
מי היה מאמין: מכונית הנשלטת על ידי המוח
רועי צזנה
חוקרים מברלין השתמשו בחיישנים המחוברים לפעילות החשמלית במוח והצליחו להניע באמצעותם מכונית. צפו עכשיו!
הרשת שמיפו ספורנס ועמיתיו במוח מאורגנת באופן דומה מאוד לזו שגילה פלנץ בפיסות הרקמה הקטנות שלו. זוהי רשת עולם קטן עם כמה מרכזים בעלי קשרים רבים.
ארכיטקטורה זו עשויה לעזור למוחנו לחסוך במשאבים ולעבוד מהר יותר. דרושים משאבים רבים כדי שנוכל להצמיח את החומר הלבן ולשמר אותו. בעזרת מעט מרכזים בעלי קשרים רבים, המוח שלנו זקוק לפחות חומר לעומת רשתות מסוגים אחרים. ומשום שיש צורך במעט קשרים כדי לעבור מחלק אחד של המוח למשנהו, המידע מעובד מהר יותר.
חוקרי המוח יצליחו לייצר מפות טובות בהרבה של רשתות עצביות בשנים הבאות, בזכות פרויקט בעלות של 30 מיליון דולר שהושק בשנה שעברה בידי המכונים האמריקניים לבריאות (NIH).
הפרויקט מכונה "פרויקט הקונֶקְטוּם האנושי", והוא יסקור את כל הקשרים העצביים במוח בוגר. אבל אפילו המפה הזאת לא תצליח לתאר בכוחות עצמה את מלוא מורכבוּתו של המוח.
הסיבה היא שתאי עצב משתמשים רק בתת-קבוצה של קשרים במוח כדי לתקשר עם תאי עצב אחרים. הרשתות האלה עשויות לשנות צורה בכל רגע בהתאם לקשרים שבהם משתמשים תאי העצב. כדי ליצור מודלים של המוח שיכולים להטמיע את הרשתות הדינמיות האלה נזדקק למלוא העוצמה של תיאוריית המורכבוּת.
קארל צימר (Zimmer) הוא מחברם של תשעה ספרים וכותב כתבות מדעיות באופן תדיר בניו יורק טיימס, בנשיונל ג'יאוגרפיק ובמגזין דיסקבר, שבו הוא גם משמש כעורך. צימר הוא המחבר של הספר האלקטרוני החדש, "חיתוכי מוח: חמישה-עשר מסעות אל תוך התודעה" (הוצאת סקוט וניקס).
הכתבה המלאה התפרסמה בגיליון אפריל-מאי של המגזין "סיינטיפיק אמריקן - ישראל" בהוצאת אורט.
לפנייה לכתב/ת 
חידת המוח
צילום: ויז'ואל/פוטוס
