פרופסור ריצ'רד אָקְסֶל (Richard Axel) זכה בפרס נובל בשל פיזיולוגיה או רפואה בשנת 2004 עם פרופסור לינדה באק (Linda B. Buck) על גילוי קולטני הריח והמבנים הארגוניים של מערכת חוש הריח.

כיצד אנחנו מריחים?

כשאנחנו רואים זר פרחים יפהפה או עוברים ליד חנות בְּשָׂמִים, לעיתים קרובות עולה בנו דחף להתקרב ולהריח. האם אי פעם תהיתם מהו בדיוק הדבר הזה שאתם מריחים, וכיצד אתם מזהים ריח מסוים? כשאנחנו מריחים פרח אנחנו שואפים מולקולות שמשתחררות ממנו. ואז נבנה במוחנו ייצוג פנימי של ניחוח הפרח באמצעות פעילות חשמלית המתרחשת במוח (איור 1).

לפני שאנחנו צוללים לפרטי תהליך ההרחה, נכיר את דרך הפעולה של מערכת חוש הריח. הריחות מורכבים ממולקולות שמשתחררות מהדבר שאותו אנחנו מריחים (למשל תפוז או ורד). מולקולות הריח נקראות אוֹדוֹרָנטים והן נישאות באוויר ונכנסות לאף. ברקמה הנמצאת בחלק האחורי העליון באף יש חלק שנקרא אֶפִּיתֶל האָף, שבו יש תאים שעליהם נמצאים קולטנים מיוחדים. לכל אחד מהקולטנים האלה יש צורה ייחודית, כך שהוא נוטה ''לאהוב'' אוֹדוֹרָנְטים מסוימים יותר מאודורנטים אחרים והוא פעיל יותר בנוכחותם (איור 2). הקולטנים הללו הם תָּאֵי עָצָב (נוֹיְרוֹנִים) , הנקראים תָּאֵי עָצָב חישתיים לניחוח (תאי OSN), או בקיצור קולטני ריח. כאשר מולקולות הריח מגיעות אל קולטני הריח, הקולטנים מתרגמים את האינטראקציה הזאת לאותות חשמליים הנעים מהם אל המוח. שימו לב למנגנון הגאוני! כשאתם מריחים משהו, כל מולקולת ריח (למשל בֶּטָא-אָיוֹנוֹן בוורד, לִימוֹנֶן בלימון, ובֶּנְזִיל אָצֶטָט בתות) מפעילה צירוף ייחודי של קולטני ריח [1] מתוך יותר מאלף סוגי קולטנים שיש באף. הצירוף הזה גורם להיווצרות דפוסים ייחודיים של פעילות חשמלית, המתבטאת כייצוג של ריח מסוים. אפשר לסכם זאת כך: קידוד הריחות במוח מבוסס על הפעלה של תת-קבוצה ייחודית של קולטני ריח. בכל אחד מהקולטנים הללו מתבצעת הפעלה חשמלית כאשר הקולטן נמצא באינטראקציה עם מולקולות ריח מסוימות, אבל לא עם מולקולות ריח אחרות. הפעילות החשמלית הזאת נעה מהקולטנים שבאף אל אזורים שונים במוח, שמעבדים ומציגים מידע שקשור בריח (איור 2).

כיצד מזהים את הגֶנים של קולטני הריח?

כשהתחלתי לחקור את מערכת חוש הריח, ידענו שחַיות יכולות להבחין בין כמות עצומה של ריחות שונים, אך לא הבנו כיצד הן עושות זאת. עם זאת, הסקנו מכך שחייב להיות מנגנון מוחי שמאפשר לחיה לזהות כל כך הרבה מולקולות ריח. מסקנה זו הובילה אותנו לחשוב שוודאי יש הרבה מאוד גֶנים המקודדים לקולטני ריח (כלומר, מספְּקים הוראות ליצירתם). כמו כן, תאי ה-OSN המתרגמים את קולטני הריח, צריכים להיות מסוגלים להפוך את האינטראקציה בין מולקולות הריח לבין הקולטנים לאותות חשמליים.

במחקר שלנו רצינו למצוא את הגֶנים המקודדים לקולטני הריח. לשם כך התבססנו על שלוש הנחות שפישטו את המחקר שלנו: (1) קיימת משפחה גדולה של גֶנים המקודדים לקולטני ריח; (2) לקולטני ריח יש מנגנון להפיכת אינטראקציות עם מולקולות ריח לאותות חשמליים; (3) גֶנים המקודדים לקולטני ריח מתבטאים רק בתאי ה-OSN באפיתל האף. הנחות אלו סייעו לנו לחפש ביעילות משפחה של גֶנים המקודדים לקולטני ריח בעכברים. בודדנו את תאי ה-OSN שלהם ומצאנו משפחת גֶנים חדשה ב-DNA של עכברים, המורכבת מכ-1,000 גֶנים שונים של קולטנים [2]. התרגשנו מכך מאוד, כיוון שזאת הייתה הפעם הראשונה שזוהו גֶנים של קולטני ריח. כעבור 23 שנים בערך, בשנת 2004, הגילוי הזה זיכה אותי ואת עמיתתי פרופ' לינדה באק בפרס נובל בפיזיולוגיה או רפואה [3].

לאחר שזיהינו את הגֶנים של קולטני הריח, היה באפשרותנו להשתמש בטכניקות מתוחכמות (כולל גנטיקה מולקולרית והדמיה עצבית) כדי לשאול שאלות מורכבות יותר על צורת האִרגון ועל הפעילות של תאי ה-OSN באף ובמוח. לדוגמה, כמה גֶנים של קולטנים מבטא כל תא OSN? האם כל תא OSN מכיל רק סוג אחד של קולטני ריח או מספָּר סוגים של קולטנים? שתי האפשרויות הללו מרמזות על שני מבנים ומנגנוני תפקוד של מערכת הריח שהם שונים לחלוטין אחד מהשני. כפי שהתברר, האפשרות הראשונה היא הנכונה: כל תא OSN מבטא רק גֶן אחד מתוך כ-1,000 גֶנים אפשריים של קולטנים.

כיצד תָּאֵי העָצָב של מערכת חוש הריח (OSN) מאורגנים?

כעת נבחן כיצד תאי ה-OSN מאורגנים באיברים שבהם מתרחש תהליך זיהוי הריחות – באף ובמוח. לעכברים יש 10 מיליון תאי OSN באף ו-1,000 קולטני ריח שונים. כיוון שכל תא OSN מבטא רק סוג קולטן אחד, זה אומר שכל סוג קולטן מתבטא ב-10,000 תָּאֵי עָצָב (10 מיליון/1,000 = 10,000). איך 10,000 תאי העצב המבטאים את אותו קולטן הריח מאורגנים באפיתל האף? האם הם מתפרסים על פני שטח גדול, או שהם מקובצים בצפיפות? מה קורה לאותות החשמליים שהם מייצרים כשהם מקיימים אינטראקציה עם האודורנטים (מולקולות הריח) ה''אהובים'' עליהם? האם מידע הקשור לאודורנט ספציפי מתכנס לאזור מסוים במוח?

את התשובה לשאלות הללו גילינו באמצעות טכניקה מתקדמת שצובעת רק תאי עצב המבטאים את אותו גֶן קולטן. תאי ה-OSN פרוסים באפיתל האף באופן אקראי על פני שטח גדול (איור 3). השלוחות שלהם (סיבים הנקראים אַקְסוֹנִים) מגיעות עד לתחנת הממסר הראשונה במוח שמעבֶּדֶת ריח, והיא נקראת פקעת ההרחה. כל 10,000 תאי ה-OSN המבטאים קולטן ייחודי מתכנסים לאזור מסוים בפקעת ההרחה, הנקרא גְלוֹמֶרוּלוּס איור 3 מימין). בסך הכול ישנם 1,000 גלוֹמֶרוּלִים נפרדים בפקעת הריח, וכל אחד מהם מקבל אותות חשמליים מכל תאי ה-OSN (10,000) המבטאים גֶן של קולטן מסוים [4].

פעילותם של תאי העצב של מערכת חוש הריח (OSN)

מה קורה כאשר בעל חיים נחשף לריח מסוים (תיבה 1)? ריחות מורכבים ממולקולות רבות (למשל, במקרה של הוורד יש יותר מ-400 מולקולות [6]). כפי שראינו, כל מולקולת ריח מפעילה קבוצה מסוימת של כ-10,000 תאי OSN שמתכנסים אל גְלוֹמֶרוּלוּס מסוים בפקעת הריח ומפעילים אותו. ריח של ורד, למשל, מפעיל קבוצה שונה של גְלוֹמֶרוּלִים מזאת המופעלת כשמריחים שוקולד. זה אומר שריחות מסוימים יוצרים דפוסים מסוימים (''מפות'') של פעילות הגְלוֹמֶרוּלִים במוח.

כיום אנחנו מסוגלים להסתכל במבט-על על פקעת הריח של מכרסמים באמצעות טכניקות הדמיה עצבית, ''לקרוא'' את דפוסי הארגון המרחבי (ה''מפה'') של הפעילות העצבית, ומתוך פעילות זו ''לפענח'' מהו הריח שבו נתקלו המכרסמים. זוהי שיטה חדשה מצוינת לזיהוי ריחות, אך כמובן שאין זו הדרך שבה החיה מזהה ריחות, כיוון שאין לה מיקרוסקופ הדמיה בפקעת הריח שלה, והיא אינה יכולה להסתכל מבחוץ על הפעילות העצבית שלה כפי שעושים המדענים.

למרות שאיננו מבינים לגמרי את היכולת המרתקת של המוח לזהות ריחות, אנחנו יודעים שתאי העצב בפקעת הריח שולחים את האקסונים שלהם לאזורים רבים במוח (איור 4). חלק מהאזורים הללו אחראים להתנהגויות אוטומטיות המתרחשות בתגובה לריחות. לדוגמה, כאשר בעל חיים נתקל בריח מסוים המצביע על גורם סכנה, כמו כשעכבר נתקל בריח של חתול, מופעלת אצלו תגובה אוטומטית של ''ברח!''. פרט לאקסונים המגיעים לאזורים אלו, ישנם אקסונים אחרים הנשלחים מפקעת הריח לאזורי המוח שבהם מתרחשת למידה. כך בעלי החיים לומדים תגובות התנהגותיות מסוימות על סמך הריחות שבהם הם נתקלים [3].

רוב רובן של התגובות האנושיות לריחות הן מהסוג השני – נרכשות (כלומר, כאלו שלומדים אותן) ולא אוטומטיות. אנשים משייכים משמעויות נרכשות לריחות מסוימים, והמשמעויות האישיות הללו משפיעות על התגובות שלהם לריחות. לדוגמה, אנשים שהייתה להם פגישה ראשונה רומנטית הכוללת יין, יכולים ללמוד לקשר את ריח היין הזה עם תחושת האהבה. לאחר מכן, כשהם מריחים יין, הם מרגישים ''פרפרים בבטן'' ורוצים ליצור קשר עם יקיריהם.

משמעות הדבר היא שלאנשים עשויות להיות תגובות התנהגותיות ייחודיות לריח מסוים בהתאם לחוויות שבהן הריח היה נוכח (תיבה 2). עבור חלקנו, הרחת ורד קשורה לחוויה רגשית נעימה (כמו אהבה) , ואילו עבור אחרים ייתכן שהוורד קשור לצבע האדום, שאולי הם מקשרים לדם ולפחד. אם המוחות של כל אחד מאיתנו מגיבים לאותה מולקולת ריח בצורה שונה, האם כששני אנשים מריחים ריח מסוים, הם באמת חווים את אותו הריח?

האם התפוז שלי מרִיחַ כמו התפוז שלך?

דמיינו שאנשים שמעולם לא ראו או הריחו תפוז מבקשים מכם לתאר את ריח התפוז. האם אתם יכולים לנסח זאת במילים? סביר להניח שלא – תפוזמריח כמו תפוז, ואנחנו לומדים לזהות את ריחו מתוך אָסוֹצְיַאצְיָה (קישור בין רעיונות או מחשבות כך שהופעתו של האחד בתודעה גוררת אחריה את העלאתו של האחר). כאשר אנחנו רואים תפוז, אנחנו מריחים אותו בו-זמנית; אפילו אם אנחנו מריחים אותו בחושך, אנחנו יודעים שזה תפוז על ידי קישור בין הריח לבין מראה התפוז, או השם ''תפוז''. במובן זה, הרחה שונה מהותית מראייה; אם אנשים שמעולם לא ראו תפוז בעבר שואלים אתכם איך נראה תפוז, תוכלו לומר שהוא עגול, כתום, בערך בגודל של כדור טניס, בעל מרקם חלק וכדומה. אנחנו יכולים ליצור דימוי פנימי של עצם כלשהו, אך איננו יכולים באמת ליצור דימוי פנימי של ריח.

אם אין ביכולתנו לתאר ריחות באמצעות מילים, ואיננו יכולים ליצור דימוי פנימי של ריחות, איך אנחנו יודעים שכשאנחנו מריחים תפוז, כולנו חווים ריח זהה? התשובה היא שאיננו יודעים! כפי שציינתי קודם לכן, סביר להניח כששני אנשים מריחים תפוז בפעם הראשונה, כל אחד מפעיל דפוסים שונים של פעילות של תאי העצב – כל אחת במוחה שלה, וכל אחד במוחו שלו. עם זאת, כולנו מקשרים את הריחות הללו לאותו הפרי כיוון שכולנו רואים את התפוז. מעֵבר לקישור שאנחנו עושים בין הריח לבין החפץ שנקרא ''תפוז'', האם אנחנו חווים את הריח בצורה דומה? ייתכן, אך הריחות שאנחנו חווים עשויים להיות יחסיים לכל שאר הדברים שהרחנו בחיינו. למשל, הריח של תפוז דומה יותר לריח של לימון מאשר לריח של קפה – זה נכון מבחינת כולנו. זה אומר שהדמיון בין האופן שבו אנשים תופסים ריחות עשוי להיות יחסי בלבד – כולנו מסכימים שהריח של משהו מסוים דומה יותר לריח של דברים מסוימים לעומת אחרים. זוהי תזכורת טובה לכך שתפיסת הריחות שלנו אינה מוחלטת – בניגוד לתפיסה שלנו לגבי הצבע האדום, למשל, שמתבססת על תדר קבוע של אור.

חידת התפיסה: שאלה פתוחה עבור המדענים העתידיים

ישנה שאלה חשובה ומורכבת לגבי תפיסה, שהמדענים טרם מצאו לה תשובה. שאלה זו שייכת לחוש הריח, אך גם לשאר החושים, ולכן היא עקרונית מאוד: כיצד מתרחשת הפרשנות של המידע החושי?

כפי שציינו, כשהמוח מעבד מידע שמקורו בחושים, נוצר דפוס מסוים של פעילות חשמלית בקבוצה ייחודית של תאי עצב במוח. דפוס הפעילות העצבית מייצר במוח ייצוג של העולם הפיזי. דפוסי הפעילות הללו אינם קבועים מבחינת הזמן (כלומר, הם מתרחשים בזמנים שונים) ומבחינת המרחב (באזורים שונים במוח). כל העושר והמגוון של העולם הפיזי מיוצג בצורה כלשהי על ידי פעילות חשמלית של קבוצות ייחודיות של תאי עצב בזמנים מסוימים ובמקומות מסוימים במוח.

המדענים מסיקים מכך שני דברים: ראשית, שהמוח יוצר תמונה מופשטת של המציאות הפיזית; ושנית, שהמוח צריך לפרש את המידע המופשט הזה, ומעניק לו משמעות. עצם שקיים בעולם החיצוני, כמו תפוז, מתורגם לדפוס מסוים של פעילות חשמלית המייצגת אותו במוח. לאחר מכן, המוח ''מפענח'' את המשמעות של אותה פעילות חשמלית על ידי פרשנות של הפעילות הזו – ישנו תפוז הקיים בעולם. כמו כן, על המוח לקשר בצורה כלשהי את דפוס הפעילות הזה למשמעות מסוימת; למשל, ''זה ריח של תפוז; הריח מייצר בי רגשות חיוביים כי הוא מזכיר לי את הפרדס שבו ביקרתי לפני כמה שנים...''. נכון לעכשיו, ה''קפיצה'' המפתיעה הזו מהפעילוּת החשמלית במוח לפרשנות ולמשמעות שאנחנו משייכים לה היא תעלומה אמיתית – עוד לא הבנו איך זה קורה. אני מאמין שהמעֲבר ה''קסום'' הזה הוא החידה הגדולה הבאה הניצבת בפני מדעני המוח העתידיים. אולי אתם תהיו ביניהם?

המלצות למוחות צעירים

בעיניי יש דרךפשוטה מאוד לבחור מה לעשות בחיים. לא משנה במה תבחרו – בין שאתם רוצים להיות מדענים או בנאים. אך מה שזה לא יהיה, הקפידו לבחור תחום שאתם אוהבים, התמסרו לעבודתכם והשקיעו בה את מירב המאמצים וההתלהבות. זה הכול! עליכם לטפח את התשוקה לְמה שאתם עושים. תשוקה זו, הניזונה ממיומנות ומיֶדַע, תניע אתכם למצוינות. עליכם לגלות את תחום העניין שלכם, ואז להעמיק בו ככל יכולתכם. כאשר תשוקה וידע הולכים יד ביד, זהו מתכון ליצירתיות ולאושר.

חומרים נוספים

:Ted-Ed כיצד אנחנו מריחים? (אנגלית)
https://www.youtube.com/watch?v=snJnO6OpjCs.

מילון מונחים

מערכת חוש הריח (Olfactory System) : ↑ המערכת החושית האחראית על ההרחה.

אוֹדוֹרָנט (Odorant) : ↑ מולקולות הריח שעצמים משחררים. הן נישאות באוויר ונכנסות לאפים שלכם.

אֶפִּיתֶל האָף (Nose Epithelium) : ↑ רקמה שנמצאת בחלק העליון האחורי של האף המשתתפת בתהליך ההרחה.

קולטן (Receptor) : ↑ מולקולה שנמצאת על תא ומקיימת אינטראקציה ספציפית עם מולקולה נוספת. יחד הן מתפקדות כמו מנעול ומפתח. הקולטן מתרגם את האינטראקציה שלו לאות חשמלי בתוך התא.

תָּאֵי עָצָב חישתיים לניחוח (תאי OSN) (Olfactory Sensory Neurons) : ↑ תאי עצב להם יש קולטני חישה. התאים הללו מתרגמים את האינטראקציה עם האודורנטים לאותות חשמליים שנעים למוח.

תָּאֵי עָצָב (Neurons) : ↑ בלועזית: נוֹיְרוֹנִים. סוג התא העיקרי במוח. תאי העצב מייצרים אותות חשמליים ומשדרים אותם לתאי עצב אחרים.

אַקְסוֹנִים (Axons) : ↑ הסיבים העצביים הנושאים אותות חשמליים מתא עצב אחד לאחר.

פקעת ההרחה (Olfactory Bulb) : ↑ תחנת הממסר הראשונה במוח המשתתפת בתהליך ההרחה. היא מקבלת מידע מתאי OSN ומעבירה מידע על ריחות לאזורים אחרים במוח.

גלוֹמֶרוּלוּס (Glomerulus) : ↑ אזור בפקעת ההרחה שבו מתרכזים כל תאי ה-OSN המבטאים קולטן מסוים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

ברצוני להודות לנועה שגב על עריכת הריאיון שהיווה את הבסיס למאמר זה ועל כתיבה משותפת של המאמר, לשרון עמלני על האיורים, ולסוזן דיבד (Susan Debad) על העריכה הלשונית של כתב היד באנגלית. תודה מיוחדת להרן שני-נרקיס על הערותיו החשובות לכתב היד.