שימוש באור כדי לראות בחושך

דַּמְיְנוּ שאתם רוצים לגלות מה מתחבא בחדר חשוך. אינכם יכולים לראות דבר בגלל החושך. ככל הנראה תנסו למצוא פנס שיסייע לכם לבדוק מה מתחבא בחדר החשוך. חוקרי מוח משתמשים באסטרטגיה דומה כדי לבחון מה מתרחש במוחו של אדם. המוח הוא קופסה שחורה כהה, ממש כמו החדרהחשוך. כדי לראות את החלק הפנימי של קופסה זו, חוקרי מוח משתמשים בטכנולוגיה שנקראת ספקטרוֹסקוֹפיה תפקודית כמעט-אינפרה-אדומה (להלן כאמור: ספקטרוסקופיה) [1]. מכשיר הספקטרוסקופיה נראה כמו מחשב (איור 1). למחשב זה מחוברים כבלים עם פקקים צבעוניים בקצותיהם. הפקקים הם החיישנים של המכשיר, ונקראים אוֹפְּטוֹדוֹת (חיישנים אופטיים). החיישנים האדומים, או השולחים, שולחים אור, כמו פנסים שמאירים את המוח. החיישנים הכחולים, או הקולטים, מקבלים את האור, בדומה לעיניים שרואות מה מתרחש בתוך המוח.

כאשר אנשים משתתפים בניסוי שעושה שימוש בספקטרוסקופיה, שיערם מוברש הצידה, והחיישנים ממוקמים על עור הראש. החיישנים חייבים להישאר מקובעים, אחרת האות יהיה מטושטש. כדי למנוע מהחיישנים לנוע, לעיתים קרובות מכניסים אותם לכובע או מהדקים באמצעות רצועה סביב הראש. במסגרת הניסוי המשתתפים מתבקשים לבצע משימות מסוימות באמצעות מוחותיהם, כמו למשל לפתור בעיה מתמטית, לקרוא ספר, או לשחק משחק, ובזמן זה מכשיר הספקטרוסקופיה רושם את מה שקורה במוח.

כיצד מכשיר הספקטרוסקופיה פועל?

בשנת 1977, פרופסור פרנץ פ. ג'ובסיס היה בארוחת ערב עם משפחתו, כשנדהם לראות שניתן להאיר אור אדום דרך עֶצֶם בעובי 4-3 מילימטרים בסטייק שאכל. מדוע הדבר אפשרי? אם תסתכלו על קֶשֶׁת בענן תראו שהאור יכול להישבר לרכיבי הצבע הרבּים שלו, כמו למשל סגול, כחול, ירוק, צהוב, או אדום. לכל צבע של האור יש אורך גל שונה (איור 2A). אורך גל הוא המרחק בין שיאים של שני גלי אור, כמו המרחק בין שני גלים בים. אורכי הגל של האור נמדדים בנָנוֹמֶטְרִים. ננומטר אחד הוא קטן כל כך, שסנטימטר אחד מכיל 10 מיליון ננומטרים! עובי שׂערה אנושית הוא כ-100,000-80,000 ננומטרים! האור האדום שפרנץ פ. ג'ובסיס השתמש בו להאיר דרך העצם, הוא אותו האור שבו משתמש מכשיר הספקטרוסקופיה. אורך הגל של אור זה נע בין 650 ל-850 ננומטרים. אור באורך הגל האמור נקרא הספקטרוּם הכמעט-אינפרה אדום, מאחר שהוא נמצא בין האור האינפרה-אדום, שעינינו אינן יכולות לראותו, לבין אור אדום, שעינינו מסוגלות לראות (איור 2B). מכאן מגיע השם ''ספקטרוסקופיה כמעט-אינפרה-אדומה''. אור כמעט אינפרה-אדום אינו מזיק לגוף. הוא יכול להאיר בצורה די טובה דרך רקמה ביולוגית, כמו הסטייק של פרנץ פ. ג'ובסיס, או דרך מוחכם.

כאשר חיישני ספקטרוסקופיה ממוקמים על הראש, האור הכמעט-אינפרה-אדום נע מהחיישנים השולחים דרך כמה שכבות, לרבּוֹת העור, הגולגולת והנוזל המגן שמקיף את המוח, עד שהוא מגיע למוח. צורתו של הנתיב שהאור עובר בו היא דמוית-בננה, חזרה אל פני השטח של המוח, שם ממוקמים החיישנים הקולטים (איור 1). חיישנים אלה מודדים כמה מהאור האדום חוזר לפני השטח של הראש. נמצא כי לא כל האור שנשלח לראש חוזר אל החיישנים הקולטים. את הסיבה לכך אפשר להסביר בעזרת החדר החשוך: כשאתם משתמשים בפנס בחדר החשוך, חלק מהאור נופל על עצמים שונים ומשנה את נתיבו, במה שמכונה פיזור, בעוד שחלק מהאור מתקדם ישר בכיוון שבו אתם מחזיקים את הפנס. תהליך דומה מתרחש בתוך הראש. כמו כן במסעו דרך השכבות השונות של הראש, חלק מהאור נבלע או נספג על ידי אובייקטים בדרכּו. בגוף, אור נספג על ידי חומרים כמו מים, שומן, או דם.

כיצד מכשיר הספקטרוסקופיה מלמד אותנו על קיום פעילות מוחית?

המוח מכיל יותר מ-100 מיליארד תאים, שנקראים נוֹירוֹנים. כמו כל התאים, נוירונים זקוקים לחמצן כדי להיות פעילים. כשאתם חושבים, חלק מהנוירונים במוח נעשים פעילים. אז, הגוף שולח דם שמכיל חמצן לאזורים הפעילים במוח, כדי לספק להם אנרגיה רבה יותר, ולסייע להם לתפקד בצורה טובה יותר. זה דומה לְמָה שקורה כשאתם מתאמנים: בזמן אימון גופכם משתמש ביותר חמצן, ולכן אתם נושמים עמוק יותר ולעיתים תכופות יותר. נשימה מוגברת מאפשרת ליותר חמצן להיכנס למחזור הדם, והדם העשיר בחמצן מועבר אל השרירים הפועלים שלכם. חמצן נישׂא למקומות שבהם הוא נדרש על ידי חלבון שנקרא המוֹגלוֹבּין, אשר נמצא בתוך תאי דם אדומים. המוגלובין הוא מה שהופך את הדם לאדום, ומאפשר לחמצן להידבק לתאי דם אדומים. תוכלו לדמיין המוגלובין בתור תרמיל על גבי תאי הדם האדומים – הוא יכול להכיל חמצן, או להישאר ריק (איור 3A). כאשר תאי הדם האדומים שמכילים חמצן מגיעים לאזורים הפעילים במוח, הם מוֹסרים את החמצן שלהם לאותם אזורים במוח, כדי לסייע לאזורים אלה להישאר פעילים. כדי לסייע לתאי הדם האדומים עם התרמילים מלאי החמצן שהם נושאים להגיע מהר יותר, כלי הדם שקרובים לאזורים הפעילים במוח, מתרחבים (איור 3B).

צבעו של הדם אדום, אך הוא עשוי להיות בגוונים מעט שונים של אדום. כלי הדם הגדולים יותר, שלעיתים אתם יכולים לראות דרך עורכם, עשויים אפילו להיראות בגוון כחול. הסיבה לכך היא שתאי דם אדומים משנים את צבעם כשהם נושאים חמצן בתרמיליהם. לתאי דם אדומים עם תרמילים מלאי חמצן יש צבע אדום בהיר, בעוד שלתאי דם אדומים עם תרמילים ריקים יש צבע אדום/סגול כהה יותר. כיצד כל זה מסייע לחוקרים להתבונן בחלק הפנימי של המוח? תאי דם אדומים עם תרמילים מלאי חמצן סופגים יותר אור אינפרה-אדום מאשר תאי דם שאינם מכילים חמצן, בעלי תרמילים ריקים. כאשר אזור במוח פעיל ויש הרבה תאי דם אדומים עם תרמילים מלאים חמצן, יותר מהאור הכמעט-אינפרה-אדום שנשלח על ידי מכשיר הספקטרוסקופיה ייבלע או ייספג על ידי התאים האלה. עקב כך, כמות האור שתגיע חזרה לחיישנים הקולטים, תפחת (איור 3C).

באמצעות הפחתת כמות האור שמאותר על ידי החיישנים הקולטים מכמות האור שנשלח על ידי החיישנים השולחים, חוקרי מוח יכולים לחשב כמה אור נספג כשהוא נע דרך המוח. ממצא זה מלמד אותם על השינויים בכמות הדם העשיר בחמצן באותו האזור במוח. אם פחות אור מגיע לחיישנים הקולטים, החוקרים יודעים שצריכים להיות יותר תאי דם אדומים עם תרמילים מלאי חמצן באותו האזור במוח, מה שמעיד על פעילות מוחית רבה יותר באותו האזור! באופן זה ספקטרוסקופיה יכולה ללמד חוקרים אֵילוּ אזורים במוח פעילים. זהו ''טְרִיק'' מגניב, אך ספקטרוסקופיה אינה מאפשרת לחוקרי מוח לראות הכול בתוך המוח. כשאתם משתמשים בפנס בחדר חשוך, העצמים שהכי קרובים אליכם ייראו הכי בבירור. באופן דומה, מאחר שחיישני ספקטרוסקופיה ממוקמים בחלק החיצוני של הראש, חוקרי מוח יכולים לראות רק את מה שקורה בפני השטח החיצוניים של המוח.

כיצד ספקטרוסקופיה יכולה לסייע לילדים?

המוחות שלנו תומכים בכל הפעילויות היומיומיות שאנו מבצעים. אין פעילות שעבורה איננו זקוקים למוח, אפילו בשינה! אפילו בעת קריאת המאמר הזה, אזורים במוחכם פעילים בזה הרגע. לוּ הייתם מחוברים למכשיר ספקטרוסקופיה, יכולנו לראות אֵילוּ אזורים במוחכם מעורבים בקריאה. באופן דומה, מכשירי ספקטרוסקופיה יכולים לשמש לניטור כמעט כל הפעילויות היומיומיות שלנו, כדי לגלות אֵילוּ אזורים במוח נדרשים לכל פעילות. מכשיר ספקטרוסקופיה יכול לשמש למחקר בילדים ואפילו בתינוקות. ילדים שיש להם קשיים בקֶשֶׁב, במתמטיקה, בדיבור, או בקריאה, גם יכולים לקחת חלק בניסויי ספקטרוסקופיה. כמו כן באפשרותנו להשתמש בספקטרוסקופיה לחקירת המוחות של ילדים המתקשים בשמיעה או ברכישת חברים .[2, 3] חוקרי מוח מתעניינים בהֲבָנַת הסיבות לכך שמוחותיהם של חלק מהילדים שחווים קשיים, מגיבים אחרת למצבים מסוימים. זה עשוי לסייע לחוקרי מוח להבין קשיים מסוימים טוב יותר, במטרה לפתח טיפולים שיסייעו לילדים הסובלים מקשיים כאלה בטווח הארוך.

ספקטרוסקופיה עשויה אפילו לסייע לנו לְאַמֵּן מוחות של ילדים, כדי לעזור להם להתגבר על הקשיים שלהם. זאת באמצעות שיטה שנקראת אימון נוֹיְרוֹפִידְבֶּק (כדי ללמוד עוד על אודות שיטה זו, קראו את מאמר פרונטירז – מדע לצעירים שמופיע במקור [4]). אימון מסוג זה מְעָרֵב מדידת הפעילות המוחית של אנשים והצגתה בפניהם בשידור ישיר, על גבי מסך מחשב. אז, המתאמנים מנסים להפעיל את מוחותיהם מעט יותר באמצעות מחשבותיהם ודמיונם, ויכולים לראות על המסך אם הצליחו. הדבר דומה למשחק עם המוח שלכם: אתם מנצחים כשאתם מפעילים את מוחכם! חוקרים מפתחים את סוגי המשחקים האלה עבור ילדים המתמודדים עם קשיי קשב וריכוז. בחלק מהמשחקים הללו, ילדים עשויים לנהוג במכונית מרוץ באמצעות הפעילות המוחית שלהם, או לנסות לשגר טיל. על ידי ביצוע פעילויות אלה, הם מאמנים את אזורי המוח שמסייעים להם להתרכז.

האם אתם מוּאָרִים?

אם כן, נוכחנו כי אזורי מוח פעילים זקוקים לחמצן, ואור כמעט-אינפרה-אדום נספג באופן שונה על ידי תאי דם אדומים עם חמצן לעומת תאי דם אדומים ללא חמצן. הודות לכך חוקרים יכולים להשתמש באור כדי לגלות אם אזור במוח פעיל. ספקטרוסקופיה מציעה הזדמנויות רבות להבנת המוח. אנו מקווים כי מחקר נוסף יסייע לחוקרים להבין טוב יותר את המוחות המרתקים שלנו, מה שעשוי לאפשר להם לגלות דרכים טובות יותר לסייע לילדים שמתמודדים עם קשיים בחיי היומיום. אם תרצו ללמוד עוד על היתרונות של ספקטרוסקופיה ומגבלותיה, קראו את המאמר של Soltanlou ו-Artemenko [5]. מאמר זה מתאר איך ניתן להשתמש בשיטה זו במטרה להבין כיצד המוח פועל בכיתה, ובמהלך פעילויות רבות נוספות. אם ברצונכם לצפות בווידיאו על האופן שבו ספקטרוסקופיה פועלת, ולהתרשם מכמה דוגמאות של השימושים השונים שלה, לחצו על הקישור הזה: וידאו 1. אנו נרגשים לראות מה חוקרים יכולים לגלות עוד על המוח! אולי תצטרפו אלינו באחד הימים?

תודות

אנו רוצים להודות לכל הילדים והמתבגרים שעוררו השראה לכתיבת כתב היד הנוכחי על ידי שאילת שאלות מעניינות לגבי מוחותינו והאופן שבו שיטות דימוּת מוחי פועלות. מכשיר הספקטרוסקופיה שתואר כאן נרכש על ידי בית החולים האוניברסיטאי RWTH אאכן, גרמניה. המימון לרכישת המכשיר סופק באמצעות מענק מטעם קרן המחקר הגרמנית (DFG) (INST 206 948/18-1 FUGG), שניתן ל-KK.

מילון מונחים

ספקטרוסקופיה תפקודית כמעט-אינפרה-אדומה (fNIRS - Functional near-infrared spectroscopy): ↑ שיטה שחוקרי מוח משתמשים בה במטרה לבחון אם אזורים מסוימים במוח פעילים.

אופטודה (Optode): ↑ חיישן מדידה שמשתמש במידע אופטי, לדוגמה באור כמעט-אינפרה-אדום. אופטודות יכולות לשלוח אור, או לקלוט אור.

נוירונים (Neurons): ↑ תאים מתמחים במוח אשר מתמחים בתקשורת. נוירונים בחלקים פעילים במוח זקוקים ליותר חמצן.

חמצן (Oxygen): ↑ יסוד שכל היצורים החיים זקוקים לו כדי להישאר בחיים. חמצן נכנס לגופנו כשאנו נושמים, ונע ברחבי הגוף בסיועו של המוגלובין.

המוגלובין (Hemoglobin): ↑ חלבון בתאי דם אדומים אשר מַקְנֶה להם את צבעם האדום, ומאפשר לחמצן להידבק אליהם. המוגלובין מעביר חמצן לחלקי הגוף השונים.

אימון נוירופידבק (Neurofeedback Training): ↑ אימון שמסייע למטופלים לווסת את פעילותם המוחית על ידי כך שהוא מציג אותה בפניהם בזמן אמת על מסך מחשב.

הצהרת ניגוד אינטרסים

SK תוגמל בתשלום עבור ייעוץ לחֶבְרַת ההֶזְנֵק (סטרט אפ) Mendi innovations AB, שטוקהולם, שבדיה. LB תוגמלה בתשלום על יצירת איורים עבור NIRx Medizintechnik GmbH, ברלין, גרמניה.

שאר המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהיעדר כל קשר מסחרי או כלכלי שיכול להתפרשׁ כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.