האם ניתן לחקור בתמנון התנהגות מורכבת ויכולת למידה גבוהה ואם כן, מה מיוחד בחקר התמנון?

התמנונים והדיונונים שייכים למערכת הרכיכות, קבוצת בעלי חיים שמורכבת ברובה מחלזונות וצדפות. אם כן, נשאלת השאלה האם בתמנון, שאפשר לראות בו מעין “חילזון” מפותח, ניתן לחקור התנהגות מורכבת ויכולות למידה גבוהות? אכן, התמנונים והדיונונים מהווים קבוצה נפרדת במערכת הרכיכות, המכונה “ראש-רגלאים” (הראש מחובר ישירות לזרועות – “רגליים”, איור 1). להבדיל מהחלזונות ומהצדפות, הראש-רגלאים ניחנו במוח מרכזי מפותח באופן יוצא דופן לרכיכות ולחסרי חוליות בכלל.

קבוצה זו מתאפיינת גם במורכבוּת התנהגותית ובגמישוּת התנהגותית המשתוות לאלה של יונקים וציפורים [1]. רכיכות פשוטות כמו החילזון מפגינות התנהגות פשוטה מאוד. למשל, חילזון ימי רעב ינוע לכיוון שממנו מגיע ריח האצות שאותן הוא אוהב לאכול, ויתקדם לכיוונן כאשר הוא שומר על הנתיב שבו עוצמת הריח הולכת ומתגברת, ומסמנת לו התקדמות אל עבר המזון שהוא מקור הריח. ייתכן שילמד כי ריח מסוים מקורו במזון טעים במיוחד, ולכן יבחר בריח זה על פני ריחות אחרים אם ייתקל בו שוב, אבל ככלל, החילזון יחזור תמיד על אותה התנהגות פשוטה של חיפוש מזון.

לעומת החילזון, התמנון מפגין התנהגות מורכבת בהרבה. תמנון ניזון מצדפות, סרטנים ודגים. כל אחד מסוגי הַטֶּרֶף האלה מצריך התנהגות צַיִד שונה: מצדפות וקונכיות צריך לשלוף את החיה שבתוכן. זו משימה לא פשוטה, שאותה פותר התמנון על ידי קדיחת חור בקונכייה והזרקת ארס בנקודה מדויקת שמאפשרת שיתוק והרפיה של שרירי החיה ושליפתה מהקונכייה. כדי לטרוף סרטנים הוא מתגנב בזהירות כדי שהסרטן לא יבחין בו מרחוק ויברח, ואז תוקף במהירות ובמיומנות שמונעות מהסרטן לצבוט אותו ולגרום לו נזק.

התמנון לא רק לומד וזוכר כיצד לצוד כל אחד מסוגי הטרף השונים, אלא ניתן להניח שהוא משנן פרטים נוספים כגון באיזו עונה או זמן במשך היום ובאיזה אזור בשונית יוכל לצוד טרף מסוים. נוסף על כך התמנונים מראים התנהגות מורכבת כמו למידה מהתבוננות בפרט אחר. נמצא כי תמנונים שצפו בתמנונים אחרים פותרים בעיה – למשל להבין כיצד לפתוח צנצנת מזון על ידי הברגת המכסה (סרטון 1) – מצליחים להשתמש בידע שלמדו ולמצוא את הפתרון מהר בהרבה מתמנונים שלא זכו ללמוד מהסתכלות על תמנונים אחרים מבצעים את הפעולה. תמנונים גם נצפים לא פעם כשהם מפגינים סקרנות גדולה ואף התנהגות משחק כלפי חפצים שאינם מזון (סרטון 2). דוגמאות אלה מראות בבירור שלא מדובר בחילזון פשוט. לעומת זאת היכולות שאותן מפגין התמנון דומות לאלה של חולדות ועכברים, שהן חיות המודל העיקריות במדעי המוח, מאפיין שמוביל אותנו לשאלה הבאה:

מה מציב את התמנון כחיית מודל ראויה למדעי המוח?

שאלה זו נשאלת כיוון שבהשוואה לתמנונים, חולדות ועכברים קל באופן ניכר לגדל ולהרבות במעבדה – למשל, הם אינם זקוקים למערכת אקווריומים מורכבת. נוסף על כך להבדיל מתמנונים, החולדות, ובעיקר העכברים, ניתנים למניפולציות גנטיות שרובן הגדול בלתי אפשרי עדיין בתמנונים. אולי ההבדל הכי משמעותי הוא שחולדות ועכברים הם יונקים כמונו, ולכן חולקים איתנו דמיון רב בכל הקשור למבנה המוח ותפקודו, ומהווים בסיס טוב להבנת המוח האנושי.

ובכן, מה שמציב את התמנון כחיית מודל ייחודית לחקר המוח אינו הדמיון אלא דווקא השוני! היונקים כגון החולדה ובני האדם חלקו אב קדמון משותף עם התמנונים לפני יותר מחצי מיליארד שנה (איור 2). יצור פרהיסטורי זה היה סוג של תולעת ללא מוח, ומאז, אותו יצור התפתח בשני מסלולים נפרדים – אחד שבסופו נוצרו היונקים, והשני שממנו נוצר התמנון. כיוון שהתמנון התפתח בצורה כל כך שונה ובסביבה אחרת (ים מול יבשה), בבסיס השימוש בתמנון להבנת מנגנונים מוחיים עומדת ההשוואה בין מוח התמנון ויכולותיו לאלה של חיות אחרות, דוגמת החולדות והעכברים [1].

דמיינו שאתם מבקרים מהעבר, מעולם לא ראיתם סמארטפון ואתם רוצים להבין את עקרונות הפעולה שלו. אחת הדרכים לעשות זאת תהיה באמצעות השוואה בין שני סוגים שונים של טלפונים ניידים, למשל, “אייפון” של חברת אפל, ו“גלקסי” של חברת סמסונג. ההשוואה בין שני המכשירים שפותחו במקביל בחברות שונות, מאפשרת להגיע לתובנות רבות לגבי המרכיבים השונים וחשיבותם בטלפון הנייד. כאשר נבחן את המכשירים נמצא למשל שלשניהם מסך מגע; ממשק הפעלה מבוסס אייקונים גרפיים וחיבור רציף לרשת האינטרנט לטובת הפעלת היישׂוּמים השונים. כיוון שכל אלה מאפיינים משותפים, ניתן להסיק שמדובר בעקרונות חשובים במבנה הטלפון הנייד ובאופן הפעלתו. לעומת זאת בכל אחד מהמכשירים תוכנת ההפעלה; המַטְעֵן; ממשק הכפתורים המכניים והאייקונים של היישומים נבדלים. מכך אפשר להסיק כי אלה אינם עקרונות חשובים, וניתן לקבל יכולות דומות באֳפָנִים שונים. בדומה לכך, השוואה בין מוחות התמנון והחולדה ויכולותיהם, מאפשרת לחשוף עקרונות ביולוגיים בסיסיים כגון מה נדרש ממבנה המוח כדי להוציא לפועל התנהגות מורכבת ויכולת למידה גבוהה. כמו כן אפשר לבחון אילו מנגנונים השתכללו והתפתחו לאורך שנות האבולוציה במוח התמנון, שאינם קיימים בחלזונות פשוטים. ניתן להניח שמנגנונים “חדשים” אלה, הם שמאפשרים לתמנון יכולות דומות לאלה של חיות מפותחות כגון חולדות ועכברים. גישת מחקר זו מכונה ביולוגיה השוואתית [1].

דוגמאות לממצאים מתוך המחקר בתמנונים

ברכיכות פשוטות שאינן בעלות מוח מרכזי, כמו החלזונות, הלמידה והזיכרון מתרחשים במרכזים עצביים הפזורים באזורים שונים בגוף (גַּנְגְּלִיּוֹנִים). לדוגמה, הזיכרון הנרכש בעקבות אכילת מזון שגורם לצריבה בפה נוצר ונשמר על ידי מערכת העצבים ששולטת בפה, וממנה גם יישלף בפעם הבאה שהחילזון יטעם את המזון המכאיב. לעומת זאת ביונקים כמונו, הלמידה והזיכרון מתרחשים במוח ולא באיברי הגוף, למשל, עמידה על הקשר בין טעם וניל וגלידה קרה, בצבע לבן, מתבצעים במוח ולא בלשון. כמו כן במוח של יונקים התפתח אזור שנקרא הִיפּוֹקַמְפּוּס, שתפקידו העיקרי לחבר את כלל הדברים שמעובדים במוחנו כגון מה שאנו רואים, שומעים, מריחים ומרגישים לכדי זיכרון של אירוע מסוים. במוח התמנון התפתח במקביל אזור שדומה בתפקידו לזה של ההיפוקמפוס (Octopus Vertical Lobe, איור 2). סידור תאי העצב בהיפוקמפוסים של היונקים והתמנון התפתח באופן דומה של רשת שְׁתִי וָעֵרֶב, שכנראה הכרחית ליצירת קישורים רבים לכדי זיכרון אסוציאטיבי. התפתחות אזור ייעודי במוחות של יונקים ושל תמנונים, שתפקידו לייצר זיכרונות, מובילה למסקנה שמדובר במבנה מוחי הכרחי ללמידה מורכבת, בדומה למרכיבי חָמְרָה דומים בטלפונים ניידים שונים, כמו מסך מגע. אבל, מה לגבי התָכְנָה? כלומר המנגנון הביולוגי בתאי העצב שמאפשר ליצור את הזיכרונות? נמצא כי תאי העצב בהיפוקמפוס של האדם מצטיינים ביכולתם לשנות במהירות וביעילות את הקשרים ביניהם וכך ליצור זיכרונות חדשים, למשל לְקַשֵּׁר בין תאי עצב שקשורים לשיר מסוים עם קבוצה אחרת של תאי עצב שמייצגת את פניו של הזמר ששר אותו. גם תאי העצב בהיפוקמפוס של התמנון מסוגלים לשנות את עוצמת הקשרים ביניהם במהירות וביעילות, אבל המנגנון שדרכו מתבצע השינוי שונה מזה שנמצא ביונקים. מכאן אנו מסיקים שיכולת שינוי הקשרים בהיפוקמפוס הכרחית ללמידה, אבל הדרך שבה משתנים הקשרים עשויה להתבצע באופנים שונים, ולכן אין מדובר בעקרונות ביולוגיים .[2, 3]

מאפיין מעניין וייחודי לתמנון, הוא התפתחותם של שני היפוקמפוסים – אחד שתפקידו ליצור זיכרונות שמבוססים על ראייה (מידע שמגיע מהעין), ושני שתפקידו ליצור זיכרונות שקשורים לטעם ולמגע (מידע שמגיע מהזרועות, איור 1).

במחקר שמתנהל במעבדתנו אנו ממשיכים לחקור את מוח התמנון בגישה של ביולוגיה השוואתית, אבל הפעם ההשוואה אינה רק למוחות היונקים או הרכיכות הפשוטות, אלא בעיקרה בין שתי מערכות הלמידה במוח התמנון. לדוגמה, מצאנו שאות עצבי (נוֹיְרוֹטְרַנְסְמִיטֶר) בשם סֶרוֹטוֹנִין גורם לחיזוק של קשרים בהיפוקמפוס האחד – האיבר שאחראי ליצירת זיכרונות המבוססים על מה שהתמנון רואה – בעוד שבהיפוקמפוס השני – האיבר שתפקידו ליצור זיכרונות המבוססים על מגע וטעם – הסרוטונין גורם להחלשה של הקשרים. כרגע אנו מעוניינים להבין אם יש לכך משמעות שקשורה לתפקיד השונה של כל אחד מהאזורים.

הבדל משמעותי נוסף בין מבנה המוח ומערכת העצבים של התמנון לזה של יונקים הוא הימצאותה של מערכת עצבים גופנית מפותחת ביותר בתמנון (PNS, איור 2). להבדיל מהידיים שלנו, זרועות התמנון מסוגלות לבצע מגוון פעולות באופן עצמאי, ללא תלות במוח. למשל, אם ננתק את זרוע התמנון מגופו ונצבוט אותה בקצה, היא תבצע תנועת רֶפְלֶקְס מהירה של התקפלות והתרחקות. להבדיל, אם ננתק את היד שלנו ממערכת העצבים המרכזית וניגע במשהו חם, היא תישאר חסרת תנועה. מורכבותה של מערכת העצבים הגופנית ויכולותיה בתמנון מעלות את האפשרות שבדומה לרכיכות פשוטות, זיכרון מלמידה פשוטה יכול להיווצר בזרוע עצמה, שתתנהג בצורה שונה לאחר הלמידה, גם כשהיא מנותקת מהמוח.

סיכום

לתמנון יכולות התנהגותיות שמשתוות לאלו של יונקים כגון חולדות (חיית המודל העיקרית בחֵקֶר המוח) ועם זאת מערכת עצבים הכוללת מוח מרכזי שונה מאוד, שהתפתח במסלול מקביל במהלך האבולוציה. מאפיינים אלה מציבים את התמנון כחיית מודל ייחודית למחקר בגישה של ביולוגיה השוואתית. מחקר זה עשוי לספק הבנה על אודות חשיבות המרכיבים השונים במוח ותפקידיהם על פי הדמיון והשוני בין מוח התמנון לזה של היונקים, ובד בבד לחשוף מנגנונים מעניינים שהתפתחו באופן ייחודי בתמנון [1].

מילון מונחים

מניפולציות גנטיות (Genetic manipulations): ↑ שינוי מלאכותי של גֶּנִים ביצור חי, שגורם לשינוי תכונותיו. באמצעות שיטה זו ניתן למשל לזהות אופן פעילות חלבונים שונים ותפקידם, על ידי סימונם או שינוי עוצמת פעילותם ושליטה בה.

חיית מודל (Model animal): ↑ לרוב חיית מעבדה, להבדיל מחיות בר (מחקר שדה) או חיות משק (חקלאות), בעלת תכונות מסוימות שמאפשרות מחקר שתוצאותיו מספקות הבנה גם לגבי הביולוגיה בחיות אחרות.

ביולוגיה השוואתית (Comparative biology): ↑ תחום חֵקֶר העושה שימוש בשוֹנוּת ובהבדלים טבעיים כדי להבין את דפוסי החיים בכל הרמות - מגֶנים ועד חברות - ואת תפקידם המשמעותי של אורגניזמים במערכות אקולוגיות.

היפוֹקמפוּס (Hippocampus): ↑ אזור במוח, שבאדם נמצא באונה הרקתית, בשני צידי המוח. לאיבר זה תפקיד בניווט ובזיכרון. ההיפוקמפוס הוא המבנה הגדול ביותר במערכת הלימבית, האחראית על מוטיבציה, רגשות, זיכרון ולמידה, ועל הקשרים ביניהם.

רשת שתי וערב (Horizontally and vertically net): ↑ סידור של השלוחות העצביות לאורך ולרוחב, בהצלבה.

זיכרון אסוציאטיבי (Associative memory): ↑ נוצר לאחר למידה של הקשר בין דברים שונים. לדוגמה, הקשר בין המנגינה שמשמיע אוטו גלידה לרכב שמוכר גלידות. אחרי שהקשר נלמד, נדע שיש אוטו גלידה בסביבה רק משמיעת המנגינה.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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