להסתכל על היער: גישה מערכתית לחקר המוח

מדענים המנסים לפענח את סודות מוח האדם מתמודדים עם מכונה הכוללת כ-100 מיליארד תאי עצב, שכל אחד מהם "משוחח" עם יותר מ-10,000 תאים שכנים באמצעות העברת סדרות של אותות חשמליים. אותות אלו מתורגמים ומופעלים בצמתים שביניהם באמצעות מולקולות שונות.

ynet מדע: כל הכתבות על ציר הזמן

כדי להבין כיצד האותות החשמליים מייצגים מידע וקבלות החלטות במוח, יש לפענח את סדרות האותות - בדומה לאופן שבו מכונת צופן-עמודות ("בר-קוד") יודעת לקרוא ולהבין צפנים. אולם סריקה של כל תבניות האותות האפשריות אינה מעשית אפילו כשמדובר בקבוצות לא גדולות של תאים: מספר הצירופים האפשריים עבור 100 נוירונים בלבד הוא כבר 10 בחזקת 30 - הרבה יותר ממספר הכוכבים ביקום.

לכן, כדי להבין כיצד פועל המוח, המדענים אינם מנסים להתחקות אחר התקשורת במערכת כולה ולמפות אותה, אלא לפענח את החוקים והכללים העקרוניים שעל-פיהם פועל המוח. מדובר, ככל הנראה, במערך של "קיצורי דרך" וחוקים מכלילים, אשר מפשטים את הנתונים, ומאפשרים למוח לעבד מידע רב ומורכב תוך עשיריות השנייה. כדי להבין את החוקים המארגנים את מעבר המידע במוח יש צורך בגישה מערכתית המתייחסת לקבוצות גדולות של תאי עצב, וכך מסתכלת על היער כולו - במקום להתמקד בעצים בודדים.

גישה זו מנחה את מחקריו של ד"ר אלעד שניידמן, מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע. נקודת המוצא היא קבוצות של עשרות או מאות נוירונים. "ברוב הפעילויות המעניינות מעורבים מאות ואלפי נוירונים לפחות. יחידה של 100 עד 200 נוירונים נמצאת כיום בגבול היכולת הניסיונית, והיא גדולה דיה כדי להיות בעלת משמעות כקבוצה".

גישתו של ד"ר שניידמן (להסתכל על היער כולו במקום להתמקד בעצים), תורמת להשגת תובנות שלא ניתן להשיג באמצעות בדיקה של תאים בודדים. כך, למשל, במחקרו הבתר-דוקטוריאלי, שהתפרסם בכתב-העת המדעי Nature, הוא הצליח להראות שעל-אף שהמיתאם האופייני בין זוגות נוירונים הוא חלש, ההשפעה של כל יחסי הגומלין החלשים האלה בקבוצה גדולה היא חזקה, וכי תאי העצב אינם פועלים כפרטים, אלא כקבוצה מאורגנת.

"אפשר לדמות את התופעה הזו ל'לחץ חברתי' - אוסף השפעות שכל אחת מהן חלשה, אבל ביחד הן מצטברות, ויש להן משמעות. הזוגות הם חלשים, אבל יש הרבה מהם, וסך כל יחסי הגומלין החלשים יוצר רשת חזקה". ד"ר שניידמן משתמש בכלים חישוביים-מתמטיים מתחום מדעי המחשב והפיסיקה כדי לבחון מקרוב את הרשתות האלה, לפרק אותן למרכיביהן, וללמוד את החוקיות ויחסי הגומלין בין תאי העצב היוצרים אותן: איך התאים קשורים, מי עובד בתיאום עם תאים אחרים, אילו תאים מגבירים זה את פעילותו של זה - או מחלישים אותה, ועוד. נתונים אלה מאפשרים לו ליצור "מפה מרחבית" שמתארת את הקשרים בין תאי העצב, ולענות על שאלות הנוגעות לכללי ה"שיחה" בין תאי העצב.

בסדרת ניסויים בקבוצות גדולות של תאי עצב הראו ד"ר שניידמן ועמיתיו למחקר, כי השאיפה להבין את שפת המוח איננה בגדר מדע בדיוני - אלא מציאות קרובה, והדגימו את חשיבותה של הגישה המערכתית.

כך, לדוגמא, בסדרת ניסויים, בשיתוף עם ד"ר רונן שגב מאוניברסיטת בן-גוריון, הוקרן סרט טבע לפיסת רשתית מעינה של סלמנדרה שהונחה על צלוחית במעבדה, ופעילותם החשמלית של מעל 100 תאים בתגובה למראות שהוצגו לפניהם נמדדה ונרשמה. כך התקבל מעין צופן-עמודות ("בר-קוד") המתאר את סדרות האותות החשמליים שמשדרים 100 תאים, לאורך זמן.

ניתוח תבניות הפעילות של קבוצות תאי עצב איפשר לד"ר שניידמן ולחברי קבוצתו ללמוד את המאפיינים המדויקים של תגובתם של 100 תאי עצב לסרטים שונים בשחור-לבן, ולפענח את מידת האפרוריות של פיקסל בודד מהסרט המוקרן - על סמך הפעילות החשמלית בלבד. זאת, בעוד שניתוח פעילותם של תאים בודדים לא איפשר פיענוח בדרגת דיוק כזו.

איך מחליש המוח את רעשי הרקע?

נושא נוסף שקשור לפעילות המערכתית של תאי העצב הוא יכולתו של המוח להתמודד עם "רעשי רקע". רעשים אלה נגרמים משום שתא העצב אינו מגיב תמיד בדיוק באותו אופן לגירויים זהים. ד"ר שניידמן סבור, כי הטבע לא התאמץ ליצור תאי עצב מדויקים ונטולי רעש, משום שהפעילות הקבוצתית של תאי העצב מציעה פתרון יעיל יותר, "זול" יותר, ובעל יתרונות משמעותיים.

ה"דיבור המשותף", כלומר, הכפילות בפעילותם של תאי העצב, יוצר "גיבוי" שמאפשר לנטרל את רעשי הרקע וגם להתגבר על מותם היום-יומי של תאי עצב במוח. בנוסף, הרעש מאפשר למוח לנקוט טקטיקה של "ניסוי וטעייה" - תכונה חיונית ליכולת הלמידה.

עקרונות הפעולה הקבוצתית של תאי העצב שחוקר ד"ר שניידמן תקפים גם לגבי מערכות נוספות. "החוקים והמודלים המתמטיים חוצים את הגבולות 'הרגילים' בין תחומים מדעיים שונים", הוא אומר, "ותופעות פיסיקליות וביולוגיות שונות - כמו התנהגות קבוצות של אטומים בשדה מגנטי, או התנהגות בעלי חיים המחפשים מקורות מזון - מצייתות כולן לחוקים דומים מאוד".

גישה זו הובילה אותו לפתח מודלים מתמטיים המתארים את התנהגותן של קבוצות בעלי חיים, כמו לדוגמא, מודל המציג להקת דגים המחפשת אוכל, או מודל המתאר את דרכם של זבובים למקור מזון. באמצעות מודלים כאלה הוא מקווה לענות על שאלות הנוגעות להתנהגות חברתית: כיצד משפיעים הפרטים זה על זה? האם יש מקום ל"עצמאות" בתוך הקבוצה - ומהם הגבולות של עצמאות זו? כיצד מתבצעת למידה והסתגלות של קבוצה? כיצד מתמודדת הקבוצה עם מצבי לחץ? ועוד.

ד"ר שניידמן מקווה, כי הבנת חוקי הפעולה הקבוצתית תסייע בעתיד לשפוך מעט אור על התנהגותם החברתית של יצורים בלתי-מובנים ובלתי-צפויים אחרים - בני האדם.  

הכתבה התפרסמה בגיליון 56 של מגזין מכון ויצמן