Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 8 בפברואר, 2019

גלים של תפיסה

תַקצִיר

אנו חוֹוִים את העולם שסביבנו כעולם ”רציף“, שבו הכל נראה באופן מתמשך וללא הפרעות. אולם כיצד המוח שלכם מְבַצֵּעַ זאת? במאמר זה אנו מציעים שהמוח דּוֹגֵם את הסביבה ב”תמונות“ בודדות. אנו מדגימים את העובדה שגלֵי המוח עובדים כמו סִפְרוֹן אנימציה (flipbook), כך שהשֶטֶף המהיר של תמונות קשורות זו לזו יוצר את האשליה של סרט רציף. אנו מציגים תוצאות מניסויים עכשוויים שמראים כיצד גלי המוח תופסים את העולם שאנו רואים. גלי המוח האלה מתרחשים כ-10 פעמים בשנייה בקירוב, והם נקראים ”תנוּדוֹת אלפא“. במאמר זה נספֵּק סקירה של האופן שבו גלי המוח התגלו, כיצד אפשר למדוד אותם, מה המשמעות שלהם וכיצד הם מסייעים לייצר תפיסה של העולם שסביבנו.

גילוי גלי המוח אצל בני אדם

בשנת 1924, פיזיקאי בשם הַנְס ברגר (Hans Berger) (איור 1A) רשם פעילוּת חשמלית ממוח אנושי. הוא חיבר אלקטרוֹדוֹת, אשר מדדו פעילות חשמלית, אל ראשיהם של המטופלים שלו, הגביר את האותות שהאלקטרודות מדדו כך שאפשר יהיה לראותם באמצעות ציוד מדעי, וראה עקומות שנראות כמו גלים (איורים 1B,C)[1]. זה היה הגילוי של מה שאנו מכנים כיום אֶלֶקְטְרוֹאֶנְצֶפָלוֹגְרָם (EEG – Electroencephalogram), ושל הפעילוּת החשמלית שבמוח שמתבטאת בגלי המוח, אשר נקראת גם אוֹסצילציוֹת (תנוּדוֹת). לאוסצילציות הכי בולטות, שהתרחשו כ-10 פעמים בשנייה, הוא קרא אוסצילציות אלפא (אלפא היא האות הראשונה באלף-בית היווני). את אוסצילציות האלפא, הנקראות גם גלי אלפא, הכי קל למדוד במערכת הראייה ובאחורי המוח. כאשר ברגר בחן את הבן שלו, הוא הבין לראשונה כי גלי המוח משתנים יחד עם מאמץ מֶנְטָלִי. במהלך העשורים שלאחר מכן, ניסויים רבּים נוספים הדגימו כי גלי מוח מסוימים קשורים לשימוש בַּחוּשים שלנו כדי לְאַתֵּר פריטים בסביבה (ראיית אדם אחר, שמיעת אדם מְדַבֵּר וכדומה), וכן עם פעולות מוֹחיוֹת שוֹנוֹת, כמו הפניית קֶשֶׁב או אחסון מידע חשוב בזיכרון [2, 3]. אולם ברגר עדיין לא ידע אם גלי המוח הם רק תוצר לוואי שמתרחש כאשר המוח עובד, או אם גלי המוח מהווים חלק מרכזי מפעילות המוח התקינה.

איור 1 - A. הַנְס ברגר מאוניברסיטת Jena בגרמניה.
  • איור 1 - A. הַנְס ברגר מאוניברסיטת Jena בגרמניה.
  • B. אלקטרואנצפלוגרם שרושם פעילות מוחית בשנת 1929. .C המחשׁה של המיקום שבו נוצרים גלי אלפא במוח, וכיצד הם נראים. D. תיאור גרפי של גל והמאפיינים המרכזיים של גל. כאן, אנו מראים מחזור אחד של גלי אלפא, שמורכב מ-10 מחזורים קטנים בשנייה. שימו לב שלכל מחזור של הגל יש שִׂיא ושֵׁפֶל, ואנו יכולים למדוד את הַמִּשְׂרַעַת (גודל) של כל חלק באוסצילציית אלפא. E. עד כה, מדענים שינו בעיקר את התפיסה ו/או ההתנהגות של נבדקים, ואז התבוננו בשינויים שבגלי המוח (סוג כזה של הבחנה, שבה רואים ששני דברים קשורים זה לזה, נקרא קוֹרֶלַצְיָה), אולם עכשיו אנו רוצים לעשות את ההיפך: לשנות אוסצילציות מוֹחיוֹת ולהתבונן כיצד משתנה התנהגות הנבדק. Peak = שִׂיא Amplitude = מִשְׂרַעַת Trough = שֵׁפֶל Behavior = התנהגות Wavelength = אורך גל Frequency = תדירוּת Brain Oscillations = אוֹסצילציוֹת מוֹחיוֹת

מהו גל מוח?

אפשר לתאר את גלי המוח ואת התכונות שלהם בעזרת מתמטיקה. באיור 1D אתם יכולים לראות את הצורה של גלי מוח. התדירוּת, או אורך הגל, מראה כמה פעמים הגל חוזר על עצמו במשך זמן מסוים. המשׂרעת מתארת כמה ”גבוה“ הגל, והפאזה של הגל מתארת את המיקום בתוך מחזור הגל בזמנים שונים (האם הוא נמצא בשיא, בשפל או איפשהו בין לבין). הגלים נמדדים במיקרו-וולטים (µV, או מיליונית הוולט). גודלו של גל אלפא טיפוסי הוא כ-100-20 מיקרו-וולטים. גלי המוח מְסַפְּקִים למדענים מושג עד כמה מיליוני תאי העצב שנמצאים מתחת לכל אלקטרודה ניתנים לעירור (הפעלה). ניסויים קודמים הראו כי סוגים מסוימים של גלי מוח קשורים לפעולות מוֹחיוֹת מסוימות. לדוגמה, פעולת הראייה, שנקראת תפיסה חזוּתית, מקושרת עם גלי אלפא.

כיצד אנו יכולים לבחון את התפקיד של גלי מוח?

מדענים מְשַׁעֲרִים כי גלי מוח הם לא רק תוצר לוואי של פעולת המוח, אלא שעשויה להיות להם תרומה חשובה לאופן שבו המוח עובד [1]. אם גלי המוח חוזרים על עצמם פעמים רבות בשנייה, האם התפיסה וההתנהגות שלנו משתנות גם הן פעמים רבּות בשנייה? [4]. זה מה שאנו רצינו לגלות!

בעבר, מרבית המדענים צפו בהתנהגות מסוימת אצל המטופלים שלהם, בעודם רושמים את פעילוּת גלי המוח של המטופלים. אחר כך הם בדקו אם ההתנהגות שהם ראו וגלי המוח שהם מדדו, היו קשורים זה לזה בצורה כלשהי. אנו חשבנו שאם נעשה את הניסוי הזה הפוך, נוכל לקבל עוד מידע ואז נוכל לומר בוודאות אם גלי המוח קשורים באופן ישיר להתנהגות של המטופלים. תהינו אם אנו יכולים לשנות את גלי המוח ואז ללמוד כיצד תפיסה והתנהגות פרטנית משתנות ביחס לשינוי בגלי המוח (איור 1E) [1]. בקצרה, האם אנו יכולים ליצור שינוי בהתנהגות באמצעות שינוי בגלי המוח? חשבנו שדרך אחת לראות אם שינויים בגלי המוח יוצרים שינויים בהתנהגות היא להציג חלק מהמידע החזותי למשתתפים באותה התדירות של גלי המוח שרצינו לחקור – במקרה שלנו, גלי אלפא שתדירותם 10 הרץ. הרעיון הוא שגלי המוח יוכלו להצטרף לַמִּקְצָב החיצוני, ממש כמו כשמוחאים כפיים יחד עם פעימות של שיר. באופן הזה אנו יכולים לאמֵּן את המוח לפעול בקצב מסוים. לאחר מכן, אנו יכולים לחקור כיצד ההתנהגות משתנה כשגלי האלפא משתנים.

האם גלי אלפא קשורים לתפיסה חזוּתית?

עבור הניסוי שלנו, גייסנו 20 משתתפים בריאים בגילאי 29-18 [5]. הראינו למשתתפים סרט מהיר מאוד על מסך המחשב. הסרט כלל 14 משולשים בכיוונים שונים (משולשים שמצביעים למעלה, ימינה או שמאלה) במרכזו של מסך שחור (איור 2A).

איור 2 - A. המשימה: הראינו למשתתפים סרט מהבהב על מסך מחשב, עם רצף קצוב (שורה עליונה) או בלתי סדיר (שורה תחתונה) של משולשים, למשך 1.4 שניות, ואז בחנו את היכוֹלת שלהם לזהוֹת את המשולש שפונה כלפי מטה, שהיה קשה להבחנה (מימין).
  • איור 2 - A. המשימה: הראינו למשתתפים סרט מהבהב על מסך מחשב, עם רצף קצוב (שורה עליונה) או בלתי סדיר (שורה תחתונה) של משולשים, למשך 1.4 שניות, ואז בחנו את היכוֹלת שלהם לזהוֹת את המשולש שפונה כלפי מטה, שהיה קשה להבחנה (מימין).
  • עשינו את המשימה קשה כל כך, כך שבממוצע המשתתפים יצליחו לענות נכון רק בשלושה מתוך ארבעה ניסיונות. המשתתפים לא ידעו היכן המטרה תהיה מוצגת. היו 25 אפשרויות בסך הכול (קווים שחורים מימין). B. הרעיון שלנו היה שאם המטרה תוצג בנקודות זמן שונות, התפיסה לא תהיה זהה בכל נקודה בזמן אלא תשתנה עם פעילוּת גלי האלפא: אתם יכולים לראות שהמשתתפים ראו את משולש המטרה באופן שונה בנקודות זמן שונות (נראוּת גבוהה - משולשים אפורים כהים, נראות נמוכה - משולשים באפור בהיר). משמעות הדבר היא שאפילו שהמשולשים המוצגים זהים פיזית בכל נקודת זמן, תפיסתנו אותם משתנה. התפיסה משתנה מאחר שפאזת גל האלפא היא שונה – היא יכולה להיות בשיא, בשפל או ביניהם. כך שינויים קטנים במוח משפיעים על האופן שבו אנו רואים את העולם.

המשולשים האלה מהבהבים בקצב קבוע, או בקצב בלתי סדיר. בקצב הקבוע, כל משולש מוצג על המסך במשך 17 מילישניות (ms, אלפית השנייה), עם מִרווח של 83 מילישניות ביניהם. הסיבה שבחרנו במרווח הזה היא ש: 83 + 17 = 100 מילישניות, או 0.1 שנייה, כלומר סך הכול 10 חזרות בשנייה – אותו הקצב של גלי אלפא בתדירות 10 הרץ שאנו מעוניינים לחקור! הקצב הבלתי סדיר לא היה מתואם עם התזמון הזה. גם הסרטים עם המקצב היציב וגם אלה עם המקצב הבלתי סדיר היו באורך של 1.4 שניות. כל המשתתפים ראו 400 סרטים – 200 עם תבנית הבהוב קבועה ו-200 עם תבנית הבהוב בלתי סדירה. שלושת המשולשים האחרונים בכל ניסיון היו תמיד באותה התבנית (מצביעים שמאלה←למעלה←ימינה). תבנית זו סימנה למשתתפים שהמטרה (המשולש שמצביע כלפי מטה) עומדת להופיע, והמשתתפים היו צריכים ללחוץ על כפתור כשהם ראו את משולש המטרה. המשולש שפונה כלפי מטה הוצג לאחר עיכוב של בין 24 ל-850 מילישניות, בקפיצות של 34 מילישניות, אחרי שההבהוב הסתיים (כלומר 34, 68, 102 וכולי, עד 850 מילישניות), כך שיכולנו למדוד את הביצועים של המשתתפים ב-25 נקודות זמן שונות. על-ידי כך ששמרנו את כל תנאי הניסוי זהים עבור כל המשתתפים, שִׁעַרְנוּ שהניסוי הזה יאמר לנו כיצד איתור המטרה משתנה מרגע לרגע במהלך 850 המילישניות (איור 2B).

התפיסה שלנו אינה רציפה אלא משתנה עם הזמן

ראשית, ניתחנו באיזו תדירות המשתתפים לחצו על הכפתור הנכון שמעיד על כך שהם ראו את המטרה. הביצוע הממוצע עבור תנאי ההבהוב היה של 75.1% הצלחה, עם סטיית תקן של 11.04%. הביצוע הממוצע עבור הבהוב בלתי סדיר היה של 74.38% הצלחה, עם סטיית תקן של 12.37%. סטיית התקן אומרת לנו כמה שוֹנוּת הייתה בין המשתתפים. כפי שאתם יכולים לראות, ערכי הביצועים שראינו עבור שני התנאים היו דומים מאוד, ולא ממש השתנו בין שני התנאים. במילים אחרות, היכולת של המשתתפים לאתֵּר את המטרה הייתה זהה, ללא תלוּת בשאלה אם הרצף הוצג באופן קבוע או בלתי סדיר.

לאחר מכן, הסתכלנו על ביצועים של איתור מטרה לאורך הזמן, עבור 25 זמני הופעה שונים בין המטרה לבין הסרט (איור 3A). כפי שאתם יכולים לראות, כשהסתכלנו על הנתונים באופן הזה, ראינו שהדיוק של איתור המטרה אינו זהה בין שני התנאים, והוא גם משתנה מרגע לרגע. כדי להדגיש את ההבדל שבין התנאי הקצוב והתנאי הבלתי סדיר, החסרנו את הבלתי סדיר מהקצוב במטרה להסיר השפעות משותפות (איור 3B). עכשיו אתם יכולים לראות שההבדל גדל וקטן עם הזמן. מאחר שהסתכלנו על הבדלים בין שני תנאים, אנו עדיין רואים ערכים חיוביים ושליליים. ההבדל הזה נראה כמו אוֹסצילציית גל האלפא, אשר מוצגת בקו ירוק מקווקו באיור 3B! משמעות הדבר היא שההבדל בין תהליכים קצובים ובלתי סדירים נראה בדיוק כמו התהליך המוחי שאותו אנו בוחנים. מעניין!

איור 3 - A. אם משווים את רמת הדיוק לאורך הזמן, רואים שבכל נקודת זמן יש ערכים שונים.
  • איור 3 - A. אם משווים את רמת הדיוק לאורך הזמן, רואים שבכל נקודת זמן יש ערכים שונים.
  • B. לאחר מכן ניתחנו את ההבדל (ההפרש בין העקומות הכחולה והאדומה) בין תנאים קצובים ובלתי סדירים (קו שחור), אשר גדלים וקטנים סביב ל-0. ההבדל הזה יכול להיות מתואר בקלות על-ידי גל – בתדירות של אוֹסצילציוֹת אלפא. באופן מעניין, כעת אנו יכולים לראות כיצד תהליך מוחי משפיע על התנהגות.

מה למדנו על המוח?

במחקר הזה, בחנו כיצד סוג של גלי מוח שנקרא אוֹסצילציוֹת אלפא קשור לתפיסה החזותית האנושית. הראינו שתפיסה חזותית אינה זהה בנקודות זמן שונות, אפילו שאנו תופסים את העולם סביבנו ללא פערים בזמן. מעניין אף יותר לשים לב לכך שהשינוי בתפיסה החזותית נראה כמו גלי מוח. זה אומר לנו שתהליך מוחי מְשַׁנֶּה את התפיסה שלנו את העולם בכל 100 מילישניות – ואנו לחלוטין לא מודעים להשפעה הזו! אולם אנו יכולים להראות, באמצעות ניסויים, שההשפעה הזו קיימת. אנו קוראים לתפיסה מסוג זה ”בְּדִידָה,“ כאשר ממש כמו בסִפְרוֹן אנימציה (flipbook) המוח שלנו דּוֹגֵם תמונות בודדות אשר מחוברות לסרט זורם אחד.

אולם אם המוח שלנו למעשה רואה דברים שונים בדרך שהיא בדידה, מדוע אנו רואים דברים באופן רציף, ללא הפסקות קטנות בין תמונות שונות? זה כוחו של המוח האנושי לחבֵּר הכול יחד, אך למעשה איננו יודעים עדיין בדיוק מהם המנגנונים שעושים זאת. עבודה בצעדים בדידים היא יעילה יותר אנרגטית עבור המוח. בדיוק כפי שקורה כשאתם צריכים לסחוב משקל כבד. קשה לסחוב אותו כל הדרך, אך קל יותר לסחוב אותו כמה צעדים, לקחת הפסקה ואז להתקדם כמה צעדים נוספים. המוח משתמש באותו המנגנון – בראייה, במגע או בשמיעה, אך הוא עושה זאת מהר מאוד, כך שאיננו שָׂמִים לב לכך כלל!

המוח וּמִקְצָבִים

המוח כפייתי לגבי מקצבים – זה גם מסביר מדוע אנשים, מבוגרים וילדים מכל העולם, אוהבים מוזיקה שהיא בעלת מרכיב קִצְבִּי חזק. מוזיקה מפעילה גם את המערכת התנועתית שלנו: זו הסיבה שמרבּית האנשים אוהבים לרקוד או לנגן בכלי נגינה בתזמורת. אך המוחות שלנו גם טובים מאוד במקצבים שאינם בדיוק קצביים: לדוגמה, לדיבור יש קצב שמשתנה מעט כתלוּת בְּמָה שאתם רוצים לומר. לשפות שוֹנוֹת יש מקצבים שונים ותחושות שוֹנוֹת שמתלווֹת אליהם. אולם קצב הדיבור מסייע למוח לִצְפּוֹת מה הדבר הסביר ביותר שעומד לקרות, כך שהמוח יכול לכוון את המשאבים שלו כדי להבין מה קורה. מחקרים עתידיים יצטרכו לחקור כיצד המוח מחבֵּר את כל התמונות החוּשיוֹת הבדידוֹת האלה, כך שאנו תופסים את העולם כרציף ולא כמקוטע!

מילון מונחים

אוֹסצילציוֹת (Oscillations): תנוּדוֹת, מילה נוספת עבור תהליך מחזוֹרי. אנו משתמשים בה כדי לְתָאֵר מקצבים שנראים כמו גלים.

בָּדִיד (Discrete): מתאר תהליך שמורכב מאירועים נפרדים.

רָצִיף (Continuous): מתאר תהליך שאיננו מופרע. ההיפך מבדיד.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

עבודה זו נתמכה על-ידי קרן Alexander von Humboldt (Feodor Lynen Program, RFH).


מקורות

[1] Herrmann, C. S., Strüber, D., Helfrich, R. F., and Engel, A. K. 2016. EEG oscillations: from correlation to causality. Int. J. Psychophysiol. 103:12–21. doi: 10.1016/j.ijpsycho.2015.02.003

[2] Klimesch, W. 2012. α-band oscillations, attention, and controlled access to stored information. Trends Cogn. Sci. 16:606–17. doi: 10.1016/j.tics.2012.10.007

[3] Johnson, E. L., and Helfrich, R. F. 2016. How brain cells make memories. Front. Young Minds 4:5. doi: 10.3389/frym.2016.00005

[4] VanRullen, R. 2016. Perceptual cycles. Trends Cogn. Sci. doi: 10.1016/j.tics.2016.07.006

[5] Helfrich, R. F., Huanga, M., Wilsona, G., and Knight, R. T. 2017. Prefrontal cortex modulates posterior alpha oscillations during top-down guided visual perception. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114(35):9457–62. doi: 10.1073/pnas.1705965114