תַקצִיר
העולם שלנו מלא במקצבים יפהפיים. את חלקם אנחנו רואים ומרגישים, כמו חילופי היום והלילה, ומקצבים של מוזיקה שאנחנו אוהבים לשמוע. ישנם מקצבים אחרים שאיננו יכולים לראות (גלי רדיו, לדוגמה), אך בכל זאת, יש להם תפקיד חשוב ונכבד מאוד בחיינו. במאמר זה, אני רוצה לספר לכם על המקצבים שקיימים במוח שלנו. איננו מרגישים אותם, ובכל זאת הם חיוניים לנו. אסביר מהם, מה תפקידם וכיצד הם יוצרים את השפה הפנימית של המוח. תוכלו גם להכיר את המקצבים המיוחדים במוח שלכם, שעוזרים לכם לזכור את מה שאתם קוראים במאמר הזה!
פרופסור György Buzsáki זכה בפרס המוח בשנת 2011, יחד עם Péter Somogyi ו-Tamás Freund, "על מחקרם רחב ההיקף, המבריק בהיבט הטכני והתפיסתי, על הארגון התפקודי של מעגלים עצביים בקליפת המוח".
פרס המוח הוא פרס בין-לאומי שמעלה על נס פריצות דרך מקוריות וחדשניות בכל תחומי חקר המוח, ממדעי המוח הבסיסיים ועד למחקר קליני יישומי. מאז נוסד בשנת 2011 ועד שנת 2025, פרס המוח הוענק ל-49 מדענים מ-11 מדינות.
מנעד שלם של מקצבים מוחיים
בעולם הטבע, כמו גם בגוף שלנו, יש מקצבים רבים ומגוונים, ואנחנו קוראים להם תנודות. כלומר, מקצבים חזרתיים בתנועת הלוך ושוב, כמו מחזוריות היום והלילה, או תנועת המטוטלת. לתנועה זו אנחנו קוראים תנודה. גם בגוף שלנו יש תנודות רבות – למשל, פעימות הלב שלנו (המונות כ-60 פעימות בדקה בזמן מנוחה), הנשימה שלנו (30–12 פעמים בדקה בזמן מנוחה, בערך), ואפילו העלייה והירידה של רמות הסוכר בדם.
כוחן הגדול של התנודות טמון בכך שהן יוצרות איזון במערכת באמצעות שימוש ברמת אנרגיה קטנה מאוד. כדי להבין זאת, חשבו על הפעם האחרונה שבה הייתם בהופעה חיה. בסוף המופע, אנשים שנהנו ממנו מתחילים למחוא כפיים. בהתחלה כל אחד מוחא כפיים בקצב משלו – ונוצר בלגן לא מובן של צלילים, אבל אז קורה משהו מדהים; כשבמקרה קצב מחיאות הכפיים של כמה אנשים חופף (מסונכרן), פתאום כל הקהל מצטרף לאותו מקצב. המקצב הזה הוא בדרך כלל שתיים עד ארבע מחיאות כפיים בשנייה, או 4–2 הרץ. ברגע שמחיאות הכפיים מסתנכרנות, הפעולות של כולם מתואמות זו עם זו. התיאום הזה מגביר את ההשפעה המשותפת של מחיאות הכפיים, בעוד שכל אחד בנפרד לא משקיע מאמץ גדול יותר באופן אישי. כלומר, כשמוחאים כפיים יחד עם כולם, זה הופך לקל יותר ודורש פחות אנרגיה, מאשר למחוא כפיים בקצב נפרד משלכם. באופן דומה, הדרך הקלה והחסכונית ביותר באנרגיה עבור תאי המוח לשמור על סנכרון היא באמצעות תנודות. זה חשוב, משום שהמוח "משתדל" לחסוך באנרגיה בכל הזדמנות אפשרית.
תופעה דומה מתרחשת בתאי מוח שנקראים תאי-עצב. כדי שמידע יעבור ברחבי המוח, צריכה להתרחש פעילות חשמלית מסונכרנת של מיליוני תאי-עצב [1]. המוח "משתמש" בתנודות קצביות כדי לתאם את פעילותן של קבוצות גדולות של תאי-עצב, כך ש"יפעמו" יחד, מה שמצריך שימוש במעט מאוד אנרגיה. זה קצת כמו להפוך "מחיאות כפיים" של תאי-עצב יחידים ל"מחיאת כף" משותפת ומתואמת. היכולת הזו חיונית כדי לגרום לאזורי המוח לתקשר זה עם זה, לשתף מידע ולפעול יחד ביעילות.
יש הבדלים גדולים מאוד במקצבים של התנודות העצביות הללו באזורים במוח ובמצבים מִשתנים של המוח. במקצבים מהירים, התנודות יכולות להתרחש עד 200 פעמים בשנייה, בתדירות של 200 הרץ. התנודות החולפות הללו, שהן המהירות ביותר, נקראות אדוות גל בהיפוקמפוס, ובהמשך נלמד עליהן עוד. מקצבים איטיים במיוחד במוח עשויים להתרחש רק פעם אחת בכל 10 שניות, בתדירות של 0.1 הרץ. ביניהם יש תנודות רבות, שיש להן מגוון תדירויות ותפקידים (איור 1).
- איור 1 - תנודות מוחיות.
- במוח יש טווח עצום של תנודות, בתדירויות שנעות בטווח שבין פחות מ־1 הרץ (תנודה אחת בשנייה) לבין 200 הרץ. התנודות האלה קשורות להבדלים בין מצבים של המוח (למשל, שינה או מדיטציה – עם גלי דלתא ותטא) ותפקודים (למשל, חשיבה, ריכוז או אחסון זיכרונות במוח – עם גלי בטא, גמא ואדוות גל-חד בהיפוקמפוס). Delta 0.5-4 Hz = דלתא, 0.5–4 הרץ; Theta 4-7 Hz = תטא, 4–7 הרץ; Alpha 7.5–12.5 Hz = אלפא, 7.5–12.5 הרץ; Beta 12.5-30 Hz = בטא, 12.5–30 הרץ; Gamma 25–100 Hz = גמא, 25–100 הרץ; Hippocampal Sharp-Wave Ripples 150–250 Hz = אדוות גל-חד בהיפוקמפוס, 150–250 הרץ.
אם נתבונן בגוף כולו, נמצא מקצבים איטיים מאוד, כמו המקצבים הצירקדיים, שאורכים 24 שעות, או מקצבים איטיים אפילו יותר, כמו המחזור החודשי.
למקצב כמו המחזור החודשי, שמתרחש פעם בחודש, יש תדירות של כ־0.0000004 הרץ – כלומר, הוא איטי פי מאות מיליונים מהמקצבים המהירים ביותר במוח!
מעניין לדעת שהתנודות המוחיות נשמרו לרוחב האבולוציה של כל היונקים. פירוש הדבר הוא שיש לנו, למעשה, אותם מקצבי מוח כמו לכל יונק אחר – מעטלפים זעירים, שמוחם שוקל 0.16 גרם ונפחו רק כמה מאות מילימטרים מעוקבים, ועד ללווייתנים עצומים, שמוחם יכול לשקול עד 9 קילוגרם ולהגיע לנפח של עד 8,000 סמ"ק. נכון מדהים לחשוב, שגם במוח שגדול פי עשרות אלפים, המקצבים הבסיסיים נשארים זהים?
כדי לדמיין זאת, חשבו שאתם בונים בית אחד בגודל של תפוח, ובית אחר בגודל של העיר ניו יורק. הייתם זקוקים לכללי בנייה מדויקים מאוד כדי לוודא שהמבנה יישאר יציב, גם כשהגודל שלו נעשה עצום כל כך (הקוראים הסקרנים מביניכם יכולים לקרוא על המבנה של כיפות גאודזיות). נראה שהתזמון במוח, שבא לידי ביטוי בתנודות קצביות, משמש כלל "בנייה" שכזה.
הדקדוק המוזיקלי של המוח
עכשיו, משהכרנו את האוסף הגדול של המקצבים במוח, נוכל לשאול: איך המקצבים הללו קשורים זה לזה? הדבר המרתק שגילינו הוא ששלל סוגי התנודות המוחיות מאורגנים מאוד, ומתקיימים בתור מערכת היררכית [2]. היררכיה פירושה שאבני הבניין של המערכת מסודרות כמו שרשרת פיקוד, שבה מקצב אחד שולט במקצב אחר. במוח, בדרך כלל, התנודות האיטיות שולטות בתנודות המהירות יותר, או במילים אחרות, מווסתות אותן. מסיבה זו, ההיררכיה נעה מן התנודות האיטיות אל התנודות המהירות.
לכל תנודה יש מופע ומשׂרעת. אפשר לראות זאת בעזרת מטוטלת: המופע הוא המיקום שלה בתוך המחזור – האם היא נמצאת משמאל, מימין או במרכז? המשרעת היא המרחק שאליו המטוטלת נעה בכל תנודה (איור 2). במוח, המופע של תנודות איטיות יותר משפיע על המשרעת של תנודות מהירות יותר, כלומר – מווסת אותה. תהליך זה נקרא "אפנון משרעת תלוי-מופע".
- איור 2 - אפנון מופע.
- לכל תנודה יש מופע (A) ומשרעת (B). המופע מתייחס למיקום בתוך מחזור התנודה (במקרה של המטוטלת, למקום שאליו המשקולת נעה ביחס למרכז) והמשרעת מתייחסת לגובה הגל, שמייצג את האנרגיה שלו. באפנון מופע, המופע של תנודה אחת משפיע על המשרעת של תנודה אחרת. אם נתבונן בירח ובכדור הארץ (C) הסיבוב של כדור הארץ סביב עצמו (כלומר, המופע שלו) ביחס למיקום הירח, משפיע על משרעת האוקיינוסים שלנו ויוצר גאות פעמיים ביום (3 ,1) ושפל פעמיים ביום (4 ו־2).
אפנון משרעת תלוי-מופע הוא מנגנון מבריק שיוצר צימוד, כלומר קשרים הדוקים, בין תנודות מוחיות. כדי להבין זאת, חשבו על גאות ושפל באוקיינוס. בכל יום יש באוקיינוס שתי גאויות, שבהן מפלס המים מגיע לשיא, ושני מצבי שפל, שבהם מפלס המים הוא הנמוך ביותר (איור 2C). זוהי תופעה שמתרחשת בגלל כוח המשיכה בין כדור הארץ לירח (כדי ללמוד עוד על גאות ושפל באוקיינוסים, תוכלו לצפות בסרטון הזה). בפשטות, הסיבוב של כדור הארץ ביחס למקום שבו נמצא הירח קובע את מפלס מי האוקיינוס. במונחים של אפנון מופע, המשרעת (כלומר, מפלס המים) של האוקיינוסים מושפעת מהיחסים בין כדור הארץ לירח (כלומר, ממחזור היממה בן 24 השעות).
אותו עיקרון מתקיים גם במוח, שבו המופע של תנודה איטית מווסת את המשרעת של תנודה מהירה יותר. לאחר מכן, המופע של התנודה המהירה יותר מווסת תנודה מהירה עוד יותר, וכן הלאה. כך תנודות מוחיות מצומדות זו לזו – מן התנודות המהירות ביותר, שמתרחשות מאות פעמים בשנייה, ועד לתנודות איטיות יותר, שמתרחשות פעם בכמה שניות, דקות, שעות, או אפילו ימים.
כדי להבין למה אפשר להשתמש בתנודות מוחיות מצומדות, אשתף אתכם באנלוגיה פשוטה. השפה שאתם קוראים עכשיו מורכבת מאותיות שחוברות יחד ויוצרות מילים; המילים מתחברות למשפטים בעלי משמעות, ומשמשות להעברת מידע. אפשר לחשוב על התנודות המוחיות המהירות ביותר כעל אותיות בודדות – א’, ב’ וכן הלאה. התנודות האיטיות יותר במוח "לוקחות" כמה תנודות מהירות, מסדרות אותן בסדר הנכון, ויוצרות "מילים". לבסוף, התנודות המוחיות האיטיות ביותר משלבות את ה"מילים" האלה לכדי "משפטים" בעלי משמעות, שמעבירים מידע ברחבי המוח. אני קורא לדרך הזאת לגשת לתנודות המוחיות "דקדוק מוחי", וזהו מוקד המחקר העיקרי שלי.
שירת הזיכרון
אחד מתחומי המחקר המרכזיים במעבדה שלי הוא זיכרון, וליתר דיוק, הדרך שבה הזיכרונות שלנו נוצרים במוח. מתברר שהיווצרות הזיכרונות קשורה לתנודה המוחית המהירה ביותר, שנקראת אדוות גל חד בהיפוקמפוס [3, 4] (איור 3A). האדוות האלה הן פרץ חזק של פעילות בקבוצות גדולות של תאי מוח בתוך חלק במוח שנקרא היפוקמפוס. כדי ללמוד עוד על ההיפוקמפוס, תוכלו לקרוא את המאמר הזה מאת חתן פרס נובל, פרופ’ John O’Keef. לאדוות האלה יש תדירות של כ-180–130 הרץ, והן אורכות כעשירית השנייה. במהלך הלילה, כשאנחנו ישנים, הן מתרחשות אלפי פעמים.
- איור 3 - היווצרות זיכרונות.
- היווצרות זיכרונות קשורה לתנודות המהירות ביותר במוח, בתדירות של כ־200 הרץ, שנקראות אדוות גל חד בהיפוקמפוס. האדוות האלה מתרחשות באזור מוח שמזכיר בצורתו סוסון ים, ונקרא היפוקמפוס (A). אדוות גל חד הן כמו אותיות שמייצגות חלקים קטנים מאירועים יום-יומיים (B). תנודות מוחיות איטיות יותר מווסתות את אדוות הגל החד, ומקבצות את ה"אותיות" ל"מילים" ול"משפטים", שבסופו של דבר יוצרים את ה"שיר" שאנחנו זוכרים (C). מלל בתוך האיור: Happy family day = יום משפחה שמח.
גילינו במחקר שלנו שאדוות הגל החד האלה מכילות חלקים קטנים של זיכרונות מאירועים שהתרחשו במהלך היום. האדוות הן פעילות מוחית ש"משחזרת" אירועים יום-יומיים שוב ושוב – כמו לראות סרט, להריץ חלקים ממנו לאחור ולראות אותם שוב. זהו מנגנון שיוצר זיכרונות ומאחסן אותם במוח שלנו בזמן השינה. כמו תנודות מוחיות אחרות, גם האדוות המהירות האלה, בתדירות של כ־200 הרץ, פועלות לפי העיקרון ההיררכי של התנודות במוח. אדוות גל חד בהיפוקמפוס מווּסתות באמצעות גלים איטיים יותר, בתדירות של כ-15–10 הרץ, שנקראים כִּישׁוֹרֵי שֵׁינָה [5]. כישורי השינה מצומדים למופע של תנודה בתדירות של כ-1 הרץ, שמתרחשת כשאנחנו נרדמים. גל המוח הזה, בתדירות של כ-1 הרץ, שעוזר לשינה עמוקה ולזיכרון, מווסת על ידי גל בתדירות של כ־0.1 הרץ, שמגיב לשינויים איטיים בזרימת הדם ובפעילות המוח. את הגל הזה מווסת מקצב בתדירות של כ-0.017 הרץ (בערך פעם בדקה) שקשור למידת הערנות או הרוגע שאתם מרגישים. את המקצב הזה, בתורו, מווסת מקצב בתדירות של כ-0.0011 הרץ (בערך פעם בכל 15 דקות) שמגיע מהגוף, ומשפיע על מצב הרוח ועל האיזון הכללי של המוח.
אם נחזור למונחים של דקדוק, אפשר לחשוב על אדוות הגל החד בהיפוקמפוס כעל אותיות שמייצגות חלקים קטנים מאירועי היום (איור 3B). התנודות האיטיות יותר, שמווסתות את האדוות, מארגנות את האותיות האלה לכדי מילים ומשפטים. בסופו של דבר, הן יוצרות בזיכרון שלנו "שיר" (רצף שלם של אירועים) (איור 3C). האותיות – כלומר, חלקי הזיכרון – היו שם כבר קודם, אבל היה צורך ב"משורר" פנימי כדי לארגן אותן מחדש, וכדי ליצור את הזיכרון הסופי שהמוח מאחסן. המשורר הזה הוא המערכת ההיררכית של התנודות המוחיות. הזיכרון הסופי דומה לסרט יומי שאנחנו יכולים להיזכר בו: "היה לי יום נהדר עם המשפחה שלי, ראינו נוף יפה ואכלנו יחד ארוחת צוהריים".
כשתישנו הלילה, המוח שלכם יצור אלפי אדוות גל חד בהיפוקמפוס. אילו הדפוסים הללו היו נמחקים, לא הייתם יכולים לזכור דבר ממה שקראתם במאמר הזה. כשהאדוות נפגעות, הזיכרון נפגע. עדות לכך אפשר לראות, למשל, במודלים של מחלת אלצהיימר בעכברים. למרבה המזל, המוח שלכם עומד לאחסן זיכרונות משמעותיים מהמאמר הזה. אני מקווה שאחד מהם יהיה שהמוח משתמש בדקדוק פנימי מדהים, המורכב מתנודות רבות שמחוברות זו לזו – תנודות שנוצרות מפעילות של קבוצות תאי-עצב גדולות – וכולן "רוקדות" יחד, בדרך ייחודית מאוד ומסודרת.
מילון מונחים
תנודות (Oscillations): ↑ תנועתיות שחוזרת על עצמה, קדימה ואחורה, כמו במשיכת חבל.
הרץ (Hertz): ↑ יחידת מידה שמודדת כמה פעמים משהו קורה בכל שנייה.
תנודות חולפות (Transient Oscillations): ↑ פרצים קצרים של גלי מוח שמופיעים לרגע קצר ואז נעלמים.
מערכת היררכית (Hierarchical System): ↑ מערכת מאורגנת שבה חלקים מסוימים "אחראים" להתנהגות של חלקים אחרים.
לווסת (Modulate): ↑ לשנות או לכוונן משהו. עוצמה או מהירות, למשל.
אפנון מופע (Phase Modulation): ↑ תהליך שבו התזמון, או המופע, של גלי מוח איטיים שולט בעוצמה של גלי מוח מהירים יותר.
אדוות גל חד בהיפוקמפוס (Hippocampal Sharp-Wave Ripple): ↑ פרץ מהיר של פעילות ירי עצבית בהיפוקמפוס, בזמן שבו המוח נמצא במעין "מצב סרק"; פעילות זו עוזרת לבחור ולאחסן זיכרונות אישיים.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
תודות
ברצוני להודות לאור רפאל על עריכת הריאיון ששימש כבסיס למאמר הזה ועל הכתיבה המשותפת של המאמר, לאיריס גת על האיורים, ול- Susan Debad על העריכה הלשונית של כתב היד. אני רוצה להודות גם לסוקרים הצעירים על הערותיהם ותרומתם החשובה בתהליך ביקורת העמיתים. המחקר זכה לתמיכת מענק מספר U19 NS107616 מהמכונים הלאומיים לבריאות של ארצות הברית.
חומרי קריאה נוספים (אנגלית)
• פרס המוח 2011 – ארגון המעגלים העצביים במוח
• György Buzsáki – אוטוביוגרפיה
הצהרת כלי בינה מלאכותית
הכותבים מצהירים שאינם השתמשו בכלי בינה מלאכותית בכתיבת מאמר זה.
טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.
מקורות
[1] ↑ Buzsáki, G. 2006. Rhythms of the Brain. Oxford: Oxford University Press.
[2] ↑ Buzsáki, G. 2010. Neural syntax: cell assemblies, synapsembles, and readers. Neuron 68:362–85. doi: 10.1016/j.neuron.2010.09.023
[3] ↑ Buzsáki, G. 2015. Hippocampal sharp wave-ripple: a cognitive biomarker for episodic memory and planning. Hippocampus 25:1073–188. doi: 10.1002/hipo.22488
[4] ↑ Liu, A. A., Henin, S., Abbaspoor, S., Bragin, A., Buffalo, E. A., Farrell, J. S., et al. 2022. A consensus statement on detection of hippocampal sharp wave ripples and differentiation from other fast oscillations. Nat. Commun. 13:6000. doi: 10.1038/s41467-022-33536-x
[5] ↑ Yang, W., Sun, C., Huszár, R., Hainmueller, T., Kiselev, K., and Buzsáki, G. 2024. Selection of experience for memory by hippocampal sharp wave ripples. Science 383:1478–83. doi: 10.1126/science.adk8261