המוח–איבר מורכב

המוח הוא האיבר שבו מעובד המידע לגבי כל מה שאנו מרגישים, חושבים ומתכננים. משחר ההיסטוריה של המדע מנסים מדענים ופילוסופים להבין איך פועל המוח, וכיצד החושים שלנו מאפשרים לנו להבין את העולם. כיום, אנו כבר יודעים שהמוח פועל באמצעות תאי עָצָב (נוֹיְרוֹנִים) המעבירים ביניהם מידע חשמלי. התאים מקושרים ביניהם באמצעות סִינַפְּסוֹת: תא עצב מקבל קֶלֶט בצוּרת אותות חשמליים מקבוצת תאים שיוצרת איתו קשרים, ובד בבד אותו תא יוצר קשרים עם התאים הבאים כדי להעביר את המידע הלאה. במעבדה, אנו יכולים למדוד את הפעילות החשמלית באזורים שונים של המוח–מקבוצות של תאים ואפילו מִתאים בודדים, אך לעיתים קרובות איננו מבינים את הפעילוּת הזו, המכונה גם 'החישוב העצבי', ובאיזה אופן היא מייצגת את העולם סביבנו. למשל, כיצד המוח מְחַשֵּׁב את כיוון התנועה של מכונית נוסעת, וכיצד הוא מזהה את האות 'א' או 'ב'. אחד המכשולים העומדים בדרכּנו להֲבָנַת פעילוּת המוח הוא המספר העצום של תאי העצב המרכיבים אותו, וכן העובדה שכל אחד מהם מסוגל לקבל קלט מאלפי תאים ולהעביר את המידע לאלפי תאים אחרים ברשת העצבית. מצב זה הופך את החישוב המתרחש במוח מורכב מאוד, באופן אשר מַקְשֶׁה עלינו להבינוֹ. כדי להתמודד עם המגבלות בחֵקֶר המוח, לעיתים מדענים מתמקדים בקבוצות קטנות של תאי מוח (רשתות), מתוך מחשבה שאם נבין כיצד חלקי המוח המצומצמים פועלים, נוכל להבין את המוח כולו. לא זו בלבד שרשתות קטנות כאלה פחות מסובכות, אלא שגם קל יותר לחקור את כל אחד מהחושים או מהאיברים המוחיים בנפרד. זאת לעומת מחקר של המוח השלם, שבו מחוברים כל האזורים יחד בערבוב של חישובים ואותות חשמליים המועברים ללא הפסק מאזור לאזור.

תאים שונים ברשתית מגיבים למגוון גירויים בשדה הראייה

במעבדה שלנו אנו חוקרות את מערכת הראייה, ושואלות כיצד המוח מגיב לדברים שאנו רואות בעולם. באופן ממוקד יותר, אנו חוקרות את הפעילות החשמלית בתחנה הראשונה של חוש הראייה: הרשתית. זוהי רקמה דקה של תאי עצב הנמצאת בחלקוֹ האחורי של גלגל העין, ומהווה חלק מהמוח (איור 1A). למעשה, הרשתית היא החלק החיצוני ביותר של מערכת הראייה, ולכן גם הנגישׁ לנו ביותר בבואנו לחקור את המוח.

אז, איך אנו רואים? בשכבה הראשונה של הרשתית יש תאים המכונים ''פוֹטוֹרֶצֶפְּטוֹרִים'', או בעברית, קולטני אור (איור 1B). תאים אלה קרויים על שם תפקידם–כאשר קרן אור פוגעת בהם, מתרחש בתאים תהליך כימי הגורם לתגובה חשמלית. כך, תאים אלה הופכים אור לאנרגיה חשמלית. האותות החשמליים עוברים הלאה אל השכבה השנייה ברשתית, שכבת תאי הביניים, ומשם אל השכבות האחרונות, שבהן נמצאים תאי הַפֶּלֶט של הרשתית הנקראים תאי גַּנְגְּלִיּוֹן. תאים אלה שולחים סיבים ארוכים אל המוח, וּ'מְסַפְּרִים' לו באמצעות שינויים במתח החשמלי על המתרחש בשדה הראייה. כל סוג של תא גנגליון פועל בתגובה לתכונה אחרת של התמונה בשדה הראייה [1]. למשל, ברשתית יש תאי גנגליון הפועלים בתגובה לאור; תאים הפועלים בתגובה לחושך, ואפילו תאים הפועלים כאשר בשדה הראייה מופיעה תנועה בכיוון מסוים (איור 1C). סוג זה של תאי גנגליון הפועלים בתגובה לתנועה, נקרא תאי גנגליון מקודדי כיוון, מאחר שהם מאפשרים קִידוּד חשמלי (מלשון 'קוֹד') של כיוון התנועה במרחב.

כל תא מקודד כיוון מוגדר לפי כיוון התנועה שאליו הוא מגיב. למשל, ישנם תאים מקודדי כיוון שמגיבים אך ורק כאשר יש תנועה ימינה בשדה הראייה. תאים אלה ישלחו אותות חשמליים למוח כאשר מכונית עוברת מולנו משמאל לימין (איור 1C); כשאנו צופים במשחק טניס והכדור עושה דרכּו מהחלק השמאלי של שדה הראייה שלנו לחלקוֹ הימני, וכן הלאה. אותם תאים בדיוק לא יגיבו כשהמכונית תיסע בהילוך אחורי (רוורס) ותהפוך את כיוון נסיעתה מימין לשמאל, או כשכדור הטניס יוחזר מהשחקן שלימיננו לשחקן בשמאלנו. באופן דומה, ישנם תאים ברשתית המקודדים תנועה שמאלה, למעלה או למטה, ומאפשרים לנו להבחין בתנועה בכל כיוון אפשרי.

החיבורים בין תאי הרשתית מכתיבים את תגובות התאים לקלט הראייתי

כיצד מתקבל העושר הזה בפעילות תאי הגנגליון? מה מאפשר להם לפעול באופן כל כך שונה וייחודי? התשובה נמצאת במגוון הרחב של סוגי התאים ברשתית, ובקשרים המיוחדים שהם יוצרים ביניהם. תאי גנגליון מקבלים קלט מתאי הביניים של הרשתית. ברשתית ישנם יותר מ-60 סוגים שונים של תאי ביניים, לכל אחד מהם תכונות ייחודיות הגורמות לו להגיב לקלט נתון מקולטני האור בצורה שונה וייחודית. כל תא גנגליון מקבל קלט רק מקבוצה מסוימת של תאי ביניים, וזה מה שמכתיב את תגובותיו ואת התכונה במרחב הראייתי שעליה הוא מדווח. לדוגמה, תא המגיב לעלייה ברמת האור (On ganglion cell) מקבל קלט מתאי ביניים שמופעלים על ידי הַדְלָקַת אור. תא המגיב לירידה ברמת האור (Off ganglion cell) מקבל קלט מתאי ביניים שמופעלים על ידי כיבוי האור (איור 1C).

אם כן, מה גורם לתאים מקודדי כיוון להגיב בצורה כל כך ספציפית? מחקרים מצאו כי החיבור בין תאי ביניים הנקראים 'תאי כוכב' (Starburst amacrine cell) לבין תא הגנגליון מקודד הכיוון הוא שקובע את הכיוון שאליו תא הגנגליון מגיב ('הכיוון המועדף'). תאי כוכב מחוברים לתא מקודד הכיוון רק מצד אחד, בהתאם לכיוון המועדף. למשל, תא המקודד את הכיוון ימינה יקבל קלט מתאי כוכב הנמצאים מימינוֹ, אך לא משמאלו (איור 2). הַחִבּוּרִיּוּת האָ-סימטרית בין תאי הכוכב לתאי הגנגליון מאפשרת לתאים להגיב כאשר התנועה היא בכיוון אחד; לא להגיב כאשר התנועה היא בכיוון השני, ולשלוח למוח מידע מורכב באשר למתרחש בשדה הראייה [2]. אם כך, תאי הגנגליון מעבירים למוח מידע לא רק בנוגע למיקום של אור וחושך בשדה הראייה, אלא מידע עשיר יותר, כמו לאיזה כיוון חפץ מסוים נע.

הרשתית כמודל לרשתות עצביות

מצד אחד, כפי שציינו, הרשתית עשויה תאי עצב שיוצרים ביניהם קשרים (סינפסות)–ממש כמו התאים שמרכיבים את המוח. מצד אחר, בניגוד לקשרים המסועפים בין התאים במוח, הרשתית היא רשת מוחית קטנה המאורגנת בשכבות מובחנות. לכן, קל יותר לעקוב אחר העיבוד המתרחש בה ולגלות מהם המנגנונים המאפשרים את העיבוד החשמלי. מנגנונים אלה יכולים ללמדנו על עקרונות פעולה של המוח כולו.

כדי לבחון אם באמת ניתן להשתמש ברשתית במטרה להבין איך עובד המוח, יש צורך לעמוד על הדומה ועל השונה בין הרשתית לבין חלקים 'גבוהים' יותר במערכת הראייה. ניקח לדוגמה את קליפת המוח הָרְאִיָּתִית. קליפת המוח בכללהּ (השכבה החיצונית של המוח הגדול) נחשבת לאזור שבו מתרחש העיבוד המורכב ביותר. זאת כיוון שיש בה מספר גדול מאוד של תאים היוצרים זה עם זה מערכת מסועפת של קשרים, וכן בְּשֶׁל העושר הרב של סוגי התגובות שתאים אלה מציגים. כאשר בוחנים את התגובות בקליפת המוח הראייתית (להלן: 'קליפת המוח'), ניתן לזהוֹת דמיון לתגובות ברשתית. הן ברשתית הן בקליפת המוח ישנם תאים המגיבים לאור ולחושך, ובשני האזורים ישנם תאים מקודדי כיוון המגיבים לתנועה בכיוון מסוים.

למרות זאת, מדענים סברו כי קליפת המוח שונה באופן משמעותי מהרשתית. מחקרים רבים הראו כי התאים בקליפת המוח מסוגלים לשנות את פעילותם ואת התכונה הראִייתית שאותה הם מקודדים, למשל, כתוצאה מחשיפה ממושכת לגירוי מסוים או אפילו בעקבות שינוי במצב הערנוּת שלנו. בניגוד לקליפת המוח, התגובה של תאי הרשתית נחשבת קבועה ובלתי משתנה. הַסְּבָרָה שלפיה תאי הרשתית אינם משנים את פעילותם נובעת מכך שהחיבור הפיזי בין התאים ברשתית הוא שקובע את פעילותם. למשל, הכיוון המועדף של תא מקודד כיוון נקבע לפי החיבור הא-סימטרי עם תאי כוכב, ולכן לא צפוי להשתנות. באופן מפתיע מאוד, מחקרים שלנו ושל אחרים מצביעים על כך שתאים ברשתית יכולים לשנות את תגובתם [3]. לדוגמה, לאחר שחשפנו את הרשתית לגירוי חֲזָרָתִי במשך כמה דקות, תאים שפעלו בתגובה לעלייה ברמת האור, כלומר, תאי On, איבדו את תגובתם להארה. במקום זאת, אותם תאים פעלו בתגובה לירידה ברמת האור, כלומר, שינו את פעילותם לזו המאפיינת תאי Off (איור 3A).

אך זה אינו השינוי היחיד שעשוי להתקבל ברשתית למרות הָאָנָטוֹמְיָה הקבועה שלה. שינוי נוסף מצאנו בתאים מקודדי כיוון ברשתית. בקליפת המוח, נמצא כי תאים מקודדי כיוון יכולים לשנות מעט את הכיוון המועדף עליהם (למשל, מתגובה לכיוון תנועה בזווית של 45 מעלות, לתגובה לכיוון תנועה בזווית של 70 מעלות). ברשתית, מאחר שהחיבורים הפיזיים הם אלה הקובעים את הכיוון שאליו יגיב התא מקודד הכיוון, איננו מצפים לשינוי בכיוון המועדף. להפתעתנו, מצאנו כי כאשר הצגנו לתאים מקודדי כיוון גירוי חזרתי במשך כמה דקות, תאים אלה הפכו את הכיוון המועדף עליהם (איור 3B). כעת, במקום לפעול בתגובה לתנועה ימינה, התאים פעלו בתגובה לתנועה שמאלה–בדיוק בכיוון ההפוך מהכיוון המועדף הראשוני, ובניגוד לכיוון שבו תאי הכוכב מחוברים לתאים מקודדי הכיוון [4].

סיכום

אם כן, מצאנו כי גם התאים ברשתית, כמו התאים בקליפת המוח, יכולים לשנות את פעילותם בעקבות הגירוי המוצג. עדיין איננו יודעים מהם המנגנונים המאפשרים לתאים בקליפת המוח לשנות את הפעילות המועדפת עליהם. אולם מאחר שהרשתית קטנה וּנגישׁה, חקרנו את תופעת שינוי הכיוון בתאים מקודדי כיוון ברשתית, והגענו למסקנות מעניינות ומרחיקות לכת בנוגע למנגנונים המאפשרים לרשתית לשנות את פעילותה [5]. מסקנות אלה עשויות לשפוך אור על תופעות שונות של גמישוּת בתגובות תאי העצב, ושינויים בפעילות העצבית באזורי מוח שונים.

מכאן שהרשתית יכולה להוות מודל דַּי טוב למוח, וכדי להבין את המוח ניתן לחקור את החישובים המתבצעים ברשתית המסודרת והפשוטה יחסית; לְפָרֵק את החישובים למנגנונים העצביים המאפשרים אותם, וכך לנסות להבין איך רשתות מוחיות פועלות באופן כללי. בדרך זו אנו מקדמות את הבנתנו באשר לשאלה מרכזית בחֵקֶר המוח–''מה משתנה במוחנו כאשר אנו לומדים ומשתנים?''.

מילון מונחים

סינפסות (Synapse): ↑ האתר הַמְּקַשֵּׁר בין שני תאי עצב, בו מתרחשת הַעֲבָרַת האותות החשמליים. ההעברה מתבצעת דרך מִרווח צר מאוד המתקיים בין שני התאים, באמצעות חומרים כימיים שתא אחד משחרר והתא האחר קולט.

רשתית (Retina): ↑ שכבת תאי עצב דקה ושקופה המְּצפה את חלקו הפנימי האחורי של גלגל העין. התאים ברשתית רגישים לאור, וממירים אור לאותות עצביים שאותם הם מעבירים למרכז הראייה שבמוח, באמצעות עצב הראייה.

תאי הביניים (Intermediate Cells): ↑ נקראים גם אינטרנוֹירוֹנים (Interneurons)–שֵׁם כללי לתאי עצב שאינם מְקַשְּׁרִים בין אזורים שונים במוח, אלא מעבירים את המידע בין תאי קלט לתאי פלט בתוך אותה רשת עצבית, למשל, בתוך הרשתית.

תאי גנגליון (Ganglion Cells): ↑ תאי הפלט של הרשתית, השולחים את המידע החשמלי על המתרחש בשדה הראייה מהרשתית למוח.

תאי גנגליון מקודדי כיוון (Direction Selective Ganglion Cells): ↑ סוג של תאי גנגליון ברשתית הפועלים רק כאשר יש תנועה בכיוון מסוים בשדה הראייה.

קליפת המוח הָרְאִיָּתִית (Visual Cortex): ↑ קליפת המוח בכללהּ היא השכבה החיצונית במוח יונקים. מדענים סבורים שבּה מתרחשים התהליכים המורכבים יותר של החשיבה והמוּדעוּת באדם. מידע חזותי שנקלט במערכת הראייה מעובד בקליפת המוח הראייתית–חלק מקליפת המוח.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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