Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 3 במרץ, 2020

המוח שקופץ על חֶבֶל

תַקצִיר

חלקים שונים של המוח פועלים יחד כדי לעזור לנו לפתור בעיות, לשחק ולהתרכז בבית הספר. כל משימה שאנו מבצעים מפורקת לתת־משימות קטנות יותר, ולהשלמת כל אחת מהן אחראי חלק אחר של המוח. כדי לבצע בהצלחה את המשימות האלה, החלקים השונים של המוח צריכים לעבוד יחד כדי “לשתף” מידע. אנחנו התעניינו לדעת כיצד חלקי המוח השונים משתפים ביניהם מידע, בזמן שחולדות שיחקו משחק זיכרון. גילינו ששני חלקים של המוח, הנקראים קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס, צריכים לפעול יחד כדי שהחולדות יוכלו לשחק נכון את המשחק. כאשר שני אזורי מוח אלה היו מתוּזמנים החולדות שיחקו נכון את המשחק, אבל כאשר שני אזורי מוח אלה יצאו מתִזְמון ולכן לא יכלו “לשתף” ביניהם את המידע שלהם, החולדות שגו בפתרון הבעיה, ולא שיחקו נכון את המשחק.

מבוא: תתפסו כמה חברים

דמיינו שאתם מְשַׂחֲקִים בחבלי קפיצה עם החברים שלכם. שניים מחבריכם מסובבים את החבלים, ואתם קופצים במרכזם. בכל פעם שאתם קופצים למעלה, החבלים עוברים מתחת לרגליכם. בכל פעם שאתם למטה, החבלים נמצאים מעליכם. המשחק נמשך כי אתם קופצים באותו קצב שבּו חבריכם מסובבים את החבלים (ראו איור 1A).

איור 1 - משחק הקפיצה על חבל.
  • איור 1 - משחק הקפיצה על חבל.
  • A. הילדה שלובשת שמלה כחולה והילד שלובש חולצה צהובה מסובבים את החבלים בקצב אחיד, כך שהילדה שלובשת חולצה סגולה יכולה לקפוץ למעלה ולמטה. B. הילד שלובש חולצה אדומה מצטרף למשחק, אבל הוא לא קופץ באותו קצב כמו הילדה שב־A, ולכן המשחק הסתיים.

חבר נוסף רוצה להצטרף למשחק שלכם, והוא מנסה לקפוץ פנימה. אם הוא לא קופץ באותו קצב כמוכם הוא ימעד על החבל ויגרום לעצירת המשחק (ראו איור 1B). אולם אם החבר שלכם יצליח לקפוץ באותו קצב כמוכם, שניכם תוכלו להמשיך לקפוץ מעלה ומטה בו בזמן, והמשחק יימשך כל עוד תמשיכו לקפוץ יחד.

דרך נוספת לחשוב על משחק הקפיצה על חבל – המשחק הוא כמו קצב של מנגינה. כדי שֶׁכַּמָּה כלי נגינה וקטעי זִמרה יתחברו יחד ליצירת מנגינה מוצלחת, כולם צריכים להיות באותו קצב. כדי שכְּלִי נגינה יצטרף למנגינה הוא חייב לשמור על הקצב; באותו אופן, כדי שהחבר שלכם יצטרף למשחק הקפיצה על חבל, הוא חייב לקפוץ בזמן הנכון.

המוח פועל באותו אופן. אזורי המוח מעבדים מידע על-ידי הקפדה על כך שהכול יהיה בקצב הנכון. בדיוק כמו שמוזיקאים שונים בתזמורת מנגנים בכלי נגינה שונים ואז מוסיפים יחד את הצליל ליצירת המנגינה, כך גם חלקי המוח השונים מעבדים סוגי מידע שונים ואז משלבים את הנתונים יחד לקבלת משימות שלמות ומוצלחות כגון לזכור בהצלחה היכן נמצאים דברים. עיבודי מוח אלה מאפשרים לנו לראות; לשמוע; להרגיש; לחשוב ולנוע. במאמר זה אנו מְדַבְּרִים על חלק במוח שנקרא קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית, שיכול לפעול או “לשחק” באותו קצב כמו חלק אחר של המוח, הנקרא היפוקמפוס. איור 2 מראֶה היכן נמצאת קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית (באדום), והיכן נמצא ההיפוקמפוס (בכחול), במוח האדם ובמוח של חולדות.

איור 2 - מיקום קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס במוחות של אדם ושל חולדה.
  • איור 2 - מיקום קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס במוחות של אדם ושל חולדה.
  • בשני המוחות, קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית צבועה באדום, וההיפוקמפוס צבוע בכחול. אתם יכולים לראות שהמיקומים של שני חלקי המוח האלה דומים במוחות של האדם ושל החולדות.

קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית מאחסנת מידע שאנו עשויים להזדקק לו בעתיד הקרוב לפתרון בעיות כגון: לזכור איך נראה משהו, וההיפוקמפוס עוזר לזכור היכן דברים נמצאים. הקצב המשותף לשני אזורים אלה נקרא מִקְצָב תֶּטָה של ההיפוקמפוס. אפשר לחשוב על מקצב תטה כעל הקצב של מנגינה או של סחרור של חבלי הקפיצה.

כדי ששני חלקי מוח ישתפו ביניהם מידע, הנוירונים (תאי העָצָב) שבאזורים אלה צריכים לשלוח מסרים בקצב מסוים. זה כמו הדוגמה שנתנו על החבר שלכם שצריך לקפוץ באותו קצב למשחק הקפיצה על חבל. כאשר נוירונים משתפים מידע עם נוירונים אחרים, אנו קוראים לזה “ירייה” – תהליך שבו התאים שבמוח שולחים (יוֹרים) דְּחָפִים חשמליים לתאי מוח אחרים. כאשר אנו מדברים על קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית, הפועלת באותו קצב כמו מקצב תטה של ההיפוקמפוס, אנו מתכוונים שתאי קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית יורים בתזמוּן עם הקצב. אולם לפעמים אותם נוירונים שבקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית אינם מתוזמנים עם הקצב של מקצב תטה של ההיפוקמפוס, ואז הם יורים לא בתזמון, והמידע אינו משותף עם ההיפוקמפוס. תאים שיורים מחוץ לקצב הם כמו כְּלִי נגינה הנכנס למנגינה לא בקצב הנכון ומשבש את כל המנגינה.

חלקים שונים במוח הפועלים יחד הם כמו חברים שמשחקים בחבל קפיצה או כמו תזמורת של מוזיקאים המנגנים מנגינה. בניסוי שלנו, התעניינו ללמוד איך ולמה קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס פועלים באותו קצב, במטרה לעזור לפתור בעיות זיכרון. קשה לבצע ניסויים על מוחות של בני אדם, לכן השתמשנו בחולדות כחיות מבחן שלנו. ההִיפּוֹתֶזָה שלנו )ההשׁערה שבחנו) הייתה, שכאשר התאים בקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית של החולדה נמצאים בקצב עם תאים בהיפוקמפוס של החולדה, החולדה תפתור נכון בעיות זיכרון. נוסף כל כך הנחנו שכאשר הקצב אובד, החולדה תיתן תשובה שגויה.

שיטות: כיצד לשחק

בניסוי שלנו השתמשנו בשיטה הנקראת אלקטרוֹפיזיוֹלוֹגיה כדי לתעד את פעילות המוח של חולדות שפתרו בעיית זיכרון, כדי שנוכל לראות איך אזורים שונים של המוח התנהגו במהלך הניסוי. אלקטרופיזיולוגיה אִפשרה לנו לְתַעֵד הן את הדחפים החשמליים (היריות) של תאי מוח יחידים בקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית הן את קצבי הרקע בהיפוקמפוס (כגון מקצב התטה), אשר להם אנו קוראים תנודות עצביות. בדרך זו יכולנו למדוד איך קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס פועלים, גם בנפרד וגם יחדיו.

לצורך משימה זו נתנו לחולדות לשחק משחק שבו הן היו צריכות ללחוץ על מנוף בסדר מסוים כדי לקבל פרס מתוק. בתא הניסוי היו שני מנופים, אחד משמאל והאחר מימין. בכל ניסוי החולדות היו צריכות להחליף בין לחיצה על המנוף השמאלי ללחיצה על המנוף הימני. ראשית, הראינו לחולדות שאחד המנופים היה דחוּף פנימה )משוּך לאחור), והאחר בלט החוצה (מורחב) (איור 3A). אִמַּנּוּ את החולדות ללחוץ תחילה על המנוף המורחב. אחר כך, הן היו צריכות לרוץ לצד השני של התא. לזאת קראנו תקופת הַשְׁהָיָה, ובמהלך הזמן הזה החולדות היו צריכות לזכור על איזה מנוף הן לחצו רגע קודם לכן. לשלב האחרון של המשימה החולדות היו צריכות לרוץ חזרה לשני המנופים וללחוץ על המנוף האחר – זה שעליו לא לחצו קודם לכן. אם הן עשו זאת, הן קיבלו פרס מתוק. אולם אם הן לחצו על המנוף הלא נכון, הן לא קיבלו פרס.

איור 3 - התנהגות חולדות כאשר הנוירונים של קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית יורים במקצב תטה של ההיפוקמפוס.
  • איור 3 - התנהגות חולדות כאשר הנוירונים של קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית יורים במקצב תטה של ההיפוקמפוס.
  • A. החולדה לוחצת על המנוף המורחב שמימין. B. בזמן שהחולדה רצה לצד השני של תא הניסוי, היא זוכרת על איזה מנוף היא לחצה. C. כאשר החולדה חוזרת אל המנופים, שניהם מורחבים. החולדה זוכרת שוב על איזה מנוף לחצה בפעם הראשונה. D. החולדה בוחרת את המנוף האחר ולוחצת עליו, ובעקבות כך מקבלת כדורית מתוקה מִמַּנְפֵּק הפרס.

למשל, הסתכלו על החולדה שבאיור 3. באיור 3A היא לוחצת על המנוף המורחב שמימין. אחר כך, באיור 3B היא רצה הרחק מהמנופים, אבל עדיין זוכרת איך הם נראים. כאשר היא חוזרת שוב אל המנופים באיור 3C (עכשיו שניהם מורחבים) היא זוכרת שהיא לחצה קודם לכן על המנוף הימני. באיור 3D החולדה משווה בין הזיכרון שלה למה שהיא רואה למעשה, ובוחרת את המנוף השמאלי, בדיוק כפי שהיא אֻמְּנָה לעשות. הדבר מְזַכֶּה אותה בפרס – כדורית מתוקה.

אף שנראה שמדובר בפרק זמן קצר, תקופת ההשהיה שבה החולדה רצה מצד לצד בתא ובחזרה היא למעשה די מאתגרת. נסו בעצמכם – הניחו מולכם שני עפרונות. הרימו את העיפרון השמאלי וקרבו את הַמַּחַק שלו לקצה האף שלכם, אחר כך החזירו את העיפרון למקומו. חכו 30 שניות, ואז הרימו והניחו בחזרה את העיפרון שמימין, באותו אופן שעשיתם עם העיפרון הראשון. חזרו על התהליך הזה שוב ושוב, כל 30 שניות. משימה זו תהיה קלה בהתחלה, אבל אחרי כמה ניסיונות סביר להניח שתתחילו לטעות. ככל שתעשו זאת יותר פעמים גדֵל הסיכוי שתתבלבלו בין העיפרון שהרמתם בפעם האחרונה לעיפרון שהרמתם לפני 2, 3 או 4 פעמים. החולדות שלנו ביצעו זאת באותו אופן, אף שסך הכול הן הצליחו יפה מאוד, ובחרו את המנוף הנכון ב־85% מהמקרים! נראה שחולדות ובני אדם דומים זה לזה לא רק במבנה המוח (כמוצג באיור 2) אלא גם בהתנהגות.

המדידות האלקטרופיזיולוגיות של קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית, ושל ההיפוקמפוס של החולדות שביצעו את המשימה שבאיור 3 נותחו במטרה להשיב על השאלות שלנו – איך ולמה קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס פועלים יחד כדי לפתור בעיות? במיוחד רצינו לבדוק אם ההיפותזה שלנו נכונה. כאשר החולדות שיחקו בהצלחה ולכן קיבלו פרס, האם תאי קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית היו מתואמים בקצב עם התנודות שבהיפוקמפוס? לעומת זאת אם חולדה לחצה במקרה על המנוף הלא נכון בשלבים האחרונים של המשימה, האם נראה שתאי קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית אינם מתואמים בקצב עם מקצב תטה של ההיפוקמפוס?

תוצאות: אל תצאו מהקצב 

זיכרו מההקדמה שקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית מאחסנת זיכרונות מסוימים על דברים שאנו עשויים להזדקק להם בעתיד הקרוב. גם ההיפוקמפוס מאחסן זיכרונות, אבל הוא מתמקד במיקום של דברים בהשוואה לדברים אחרים שסביבם. על-ידי ניתוח פעילות המוח של החולדות שלנו גילינו שקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית אחסנה את המידע על המראֶה של המנוף, בעוד שההיפוקמפוס אחסן את המידע על מיקום המנוף – משמאל או מימין.

בכל פעם שהחולדות בניסוי שלנו לחצו על המנוף הנכון, קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס פעלו שניהם (“קפצו על חבל”) לפי הקצב של מקצב תטה של ההיפוקמפוס. היות שהייתה התאמה בקצב של שני אזורי מוח אלה, אפשר היה לְשַׁלֵּב את המידע מקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית ומההיפוקמפוס במטרה למצוא פתרון לבעיה – על איזה מנוף ללחוץ. הדבר דומה לדוגמה של שני החברים ש“משלבים” את הקפיצה על החבלים בו בזמן בהצלחה, אם הם באותו קצב. בכל פעם שהחולדות לא לחצו על המנוף הנכון גילינו שתאי קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית לא “קפצו על חבל” בקצב של מקצב תטה של ההיפוקמפוס. פירושו של דבר, שהמידע שבקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית ושבהיפוקמפוס לא השתלב, והחולדות לא הצליחו לפתור את הבעיה, בדומה לְמָה שהיה קורה אם החבר שלכם לא היה מתאים אליכם את קצב הקפיצה שלו, ומשחק הקפיצה על חבל היה מסתיים (כמו באיור 1B). סך הכול גילינו שההיפותזה שלנו הייתה נכונה! כאשר קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס היו מתוזמנים החולדות שיחקו נכון; כאשר שני אזורי המוח לא היו מתוזמנים החולדות נכשלו במשימת הזיכרון.

דיון: שחקו שוב ביום אחר! 

גם בבני אדם, קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס פועלים יחד כאשר אנו מעוניינים לפתור בעיה. הביטו בילד שמְשַׂחֵק במשחק הַתְאָמַת קלפים שבאיור 4. מטרת המשחק היא למצוא שני קלפים זהים, ומותר להפוך רק שני קלפים בכל תור. באיור 4A הילד כבר הפך קלף של חתול בפינה התחתונה הימנית, והוא עומד להפוך קלף של נחש קרוב למרכז של צד ימין. היות ששני הקלפים האלה אינם זהים, הוא מסובב אותם חזרה, ובזאת מסתיים התור. אחר כך, הוא מתחיל את התור הבא על-ידי הפיכת קלף אחר לגמרי. כפי שאפשר לראות באיור 4B, הילד הופך קלף של נחש מצד שמאל. באיור 4C הוא חושב על הקלף הזה. הוא זוכר שראה את הקלף של הנחש קודם לכן, בעזרת קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית, והוא זוכר היכן הקלף של הנחש ממוקם, בעזרת ההיפוקמפוס.

איור 4 - משחק התאמת הקלפים.
  • איור 4 - משחק התאמת הקלפים.
  • A. הילד משווה קלף של חתול מהצד הימני התחתון לקלף של נחש מהצד הימני במרכז. הוא מגלה שהקלפים אינם זהים, ומסיים את התור על-ידי הפיכת הקלפים חזרה. B. אחר כך, הילד הופך משמאל קלף חדש של נחש. C. הילד זוכר שראה את הקלף של הנחש קודם לכן, בעזרת קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית, והוא זוכר היכן ראה את הקלף, בעזרת ההיפוקמפוס. D. הילד הופך את הקלף הקודם של הנחש שראה בשלב A, ומתאים נכון בין שני הקלפים של הנחש.

לבסוף, באיור 4D המידע שיש לו מקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית ומההיפוקמפוס שלו משתלב, דבר המאפשר לילד לפתור את הבעיה ולמצוא שני קלפים זהים. הוא מתאים את הקלף החדש של הנחש שמשמאל לקלף הקודם של הנחש שמימין. בדיוק כמו בחולדות, קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס במוח של הילד תִּקְשְׁרוּ על-ידי “קפיצה על חבל” באותו קצב כדי לפתור את הבעיה. אם קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס לא יתקשרו או לא “יקפצו על חבל” באותו קצב, הילד לא ידע שכבר ראה את הקלף של הנחש קודם לכן במיקום אחר, והוא לא יצליח בתור הזה להתאים בין הקלפים.

חשבו על קבוצת כדורסל. המטרה של כל אחד בקבוצה היא לקלוע את הכדור בסל של היריב. אולם לא כולם מבצעים את אותה עבודה. חבר אחד בקבוצה יכול לְכַדְרֵר את הכדור ולחפש נקודת תורפה בהגנה. חבר אחר בקבוצה יכול לנוע באופן כזה שהוא מושך את ההגנה הרחק מהסל. עוד חבר בקבוצה יכול לעמוד מתחת לסל ולהיות מוכן לקלוע לסל כדורים חוזרים. לכל חבר בקבוצה יש תפקיד שונה, אבל הם חייבים לתקשר ביניהם כדי שיוכלו לפעול יחד לְשֵׁם קליעת הכדור לסל. אם הם לא יעבדו יחד באופן זה הקבוצה תטעה (למשל, מסירת הכדור למישהו שלא התכונן לכך) ותפסיד את השליטה על הכדור. בדיוק כמו קבוצת שחקני כדורסל, לכל חלקי המוח השונים יש תפקידים שונים, והם צריכים לתקשר ביניהם כדי לפעול יחד. במקרה של הניסוי שלנו, קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס מְתַקְשְׁרִים ביניהם בעזרת מקצב תטה של ההיפוקמפוס, המאפשר לשני חלקי המוח האלה לְשַׁלֵּב את המידע שלהם, ומאפשר לחולדה להגיע למטרתהּ (קבלת פרס מתוק).

חשוב לחקור את הדרך שבּה חלקי המוח פועלים יחד, כי אם נדע איך חלקי מוח שונים פועלים יחד יהיה קל יותר להצביע על אזורי מטרה כדי לעזור לאנשים שהמוח שלהם אינו מתפקד כראוי. למשל, מחלת פרקינסון עלולה לגרום לבעיות בשליטה על תנועות, על מחשבות ועל רגשות. אדם הסובל ממחלת פרקינסון עלול לחוש קצת כאילו הוא מנסה לרכוב על אופניים תוך כדי דִּוּוּש ובלימה בו בזמן – הוא לא ממש מסוגל לשלוט על עצירה או על התקדמות. היות שמחלת פרקינסון עלולה לגרום לכל כך הרבה בעיות שבדרך כלל מְוֻסָּתוֹת על-ידי אזורים רבּים ושונים במוח, הטיפול במחלה עלול להיראות מסובך במיוחד.

אולם על-ידי בחינת האופן שבו חלקי המוח מתקשרים ביניהם, מדענים הבינו שיש אזור אחד במוח, הנקרא גרעין הבסיס, שמחובר לכל חלקי המוח האחרים ששולטים על תנועה, על מחשבות ועל רגשות. הם גילו שמחלת פרקינסון גורמת לבעיות רק בגרעין הבסיס, ולא בהרבה אזורים שונים במוח. הבנה זו אִפשרה פיתוח של שיטות טיפול טובות יותר, שֶׁכֵּן המדענים הבינו שהמטרה בטיפול במחלת פרקינסון היא גרעין הבסיס. על-ידי הבנה טובה יותר של המוח אנו יכולים לעזור לִבְנוֹת בסיס לתגליות עתידיות ברפואה, כמו במחלת פרקינסון ומעבר לכך.

באמצעות הניסוי שלנו גילינו שקליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס מתקשרים ביניהם כאשר בעיות זיכרון נפתרות נכון, וששני אזורי מוח אלה מגיעים להישג זה על-ידי מקצב תטה של ההיפוקמפוס. אבל, קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית וההיפוקמפוס אינם חלקי המוח היחידים שחייבים לפעול יחד. כדי שבעלי חיים, כולל בני אדם, יוכלו לעשות כל דבר שהוא, כל חלקי המוח השונים צריכים “לְדַבֵּר” ביניהם על-ידי “קפיצה על חבל” זה עם זה במקצבים שונים. אנו מקווים שבעתיד כל חלקי המוח שלכם יפעלו יחד כדי לעזור לכם להגיע לתגליות מדעיות מדהימות, חדשניות ומעוררות השראה!

מילון מונחים

קליפת המוח הקדם-מצחית האמצעית (Medial prefrontal cortex, mPFC): החלק במוח שמאחסן מידע הנחוץ לפתרון בעיות.

היפוקמפוס (Hippocampus, HC): החלק במוח שעוזר לזכור היכן דברים ממוקמים.

אלקטרופיזיולוגיה (Electrophysiology): חֵקֶר הפעילות החשמלית בגוף (במקרה שלנו, במוח).

תא ניסוי (Experimental chamber): אזור מסוים (כמו קופסה) שבו מתבצע הניסוי.

תקופת הַשְׁהָיָה (Delay period): פרק זמן מְבֻקָּר בין הזמן שמוצגים לפני החולדה המנופים ובין הזמן שבו היא צריכה לבחור על איזה מנוף ללחוץ.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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


מאמר המקור

Hyman, J. M., Hasselmo, M. E., and Seamans, J. K. 2011. What is the functional relevance of prefrontal cortex entrainment to hippocampal theta rhythms? Front. Neurosci. 5:24. doi: 10.3389/fnins.2011.00024