תַקצִיר
כל דבר שאתם עושים הוא סוג של תנועה: הולכים, נושמים, מדברים, או אפילו רק מזיזים את העיניים בזמן שאתם קוראים את העמוד הזה. מדענים שחוקרים תנועה בודקים כיצד, בזכות פעילות מתואמת של מיליוני תאי מוח (שנקראים "תאי עצב"), מתאפשרות הפעולות האלה. כיום, אנחנו מבינים שתנועה דומה לתזמורת: חלקים נפרדים של מערכת העצבים ממלאים תפקידים ייחודיים להם, וכך יוצרים את ה"מוזיקה" של התנועה. לשם כך, הם חייבים לתפקד בהרמוניה. במעבדה שלי, אני מתמקדת יחד עם הצוות במחקרנו בגזע המוח – מבנה מרכזי שמחבר בין המוח לבין חוט השדרה, ובסופו של דבר גם לשרירים. אנחנו מאזינים ל"שיחה" המתקיימת בין תאי העצב, ובעזרת אור מפעילים תאי עצב מסוימים או מכבים אותם; כך, אנחנו חושפים את ה"קוד" של גזע המוח לתנועה, ומגלים, צעד אחר צעד, איך הגוף שלנו מסוגל לבצע סוגים רבים כל כך של תנועה.
פרופסור Silvia Arber זכתה בפרס המוח בשנת 2022, יחד עם Martyn Goulding ו-Ole Kiehn, "על כך שחוללו מהפכה בהבנתנו את התאים ואת המעגלים הבסיסיים העומדים בבסיס תנועת הגוף ביונקים, ועל הגדרת חשיבותם של מרכיבים אלה במצבים של בריאות ושל מחלה".
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 היווסדו בשנת 2011 ועד שנת 2025, הוענק פרס המוח ל-49 מדענים מ-11 מדינות.
בתנועה מתמדת
ברגע זה ממש, בעודכם קוראים את המילים האלה, אתם זזים. אולי אתם אפילו לא שמים לב לחלק מן התנועות האלה, כמו העיניים שלכם שסורקות את הדף, או בית החזה שלכם, שעולה ויורד עם כל נשימה. תנועות אחרות עשויות להיות מכוונות – כמו שינוי התנוחה בכיסא או גלילה במורד הדף. למעשה, כל דבר שאתם עושים כרוך בתנועה – מנשימה ועד הליכה, דיבור, אכילה, החזקת חפצים והקלדה בטלפון.
כמה תנועות שונות זו מזו אתם באמת יכולים לבצע? אם תחשבו על כך לעומק, יש אין-ספור דרכים לזוז. בגוף שלכם יש יותר מ-600 שרירים שפועלים יחד כדי לאפשר את כל מגוון התנועות הזה. אפילו בתנועות שנחשבות "פשוטות", כאלה שלא מצריכות יותר מדי מחשבה – הליכה, למשל – שרירים רבים פועלים יחד בתיאום מדהים.
כיצד המוח שולט בכל התנועות האלה? מתברר שיש יותר מאזור אחד במוח שעושה זאת. במקום זאת, המוח כולו עוזר לשלוט בתנועות, ומיליוני תאי מוח (שנקראים תאי עצב) פועלים יחד כמו תזמורת גדולה. ממש כפי שכל כלי הנגינה בתזמורת חייבים לנגן בתיאום כדי ליצור מוזיקה יפה, כל תאי העצב הללו צריכים להיות מתואמים בצורה מושלמת, כדי ליצור את התנועות שאנחנו מבצעים (איור 1).
- איור 1 - תזמורת התנועה.
- כל פעולה שאתם עושים – בין שאתם נושמים, הולכים, אוכלים או שולחים הודעת טקסט – מכוונת על ידי המוח שלכם. מיליוני תאי-עצב פועלים יחד כמו תזמורת גדולה, וכל אחד מהם ממלא את תפקידו בתזמון ובכוונון מושלמים, כדי לתאם את כל התנועות שהגוף שלכם מבצע.
מן המוח אל השרירים: מסעהּ של התנועה
על אף שאזורים רבים במוח תורמים לתנועה בדרך כלשהי, מדענים גילו שלחלקים במערכת התנועה יש תפקידים שונים מאשר אלה של חלקים אחרים [1, 2]. מערכת התנועה מאורגנת בצורה היררכית, כלומר, הפקודות זורמות כלפי מטה – מאזורים מורכבים במוח, שמתכננים ומתאמים תנועה – אל רמות נמוכות יותר, ובהן חוט השדרה, שמעבירות את ההוראות הללו אל השרירים.
בראש ההיררכיה הזאת נמצאת קליפת המוח המוטורית – האזור שמתכנן תנועות ושולח הוראות. נמוך יותר בהיררכיה נמצא גזע המוח, שפועל כמו מרכזייה: הוא מתרגם את הפקודות של קליפת המוח המוטורית למידע מעשי לגבי השרירים שצריכים לזוז, והתזמון של התנועה. לאחר מכן, מגיע חוט השדרה, שמחבר את מערכת העצבים אל השרירים דרך תאי עצב תנועתיים – תאים שיכולים להעביר אותות חשמליים כדי לגרום לשרירים להתכווץ.
נמחיש את תפקוד המערכת הזאת באמצעות פעולת ההליכה (איור 2); דמיינו שאתם עומדים במעבר חצייה, מול רמזור אדום. ברגע שהאור מתחלף לירוק, המידע מן העיניים שלכם מגיע (בסופו של תהליך) אל קליפת המוח המוטורית, והיא בתורה שולחת את האות: "התחילו ללכת". גזע המוח מבין אילו שרירים צריך להפעיל, ואז תאי עצב תנועתיים בחוט השדרה גורמים לכל השרירים הרלוונטיים להתכווץ בזמן הנכון – לא רק ברגליים, אלא גם בזרועות, בגו, בצוואר ובראש. בזמן שאתם הולכים, מערכת העצבים שלכם עוקבת כל הזמן אחר התנועות שלכם, כדי לוודא שתגיעו בבטחה אל המדרכה שממול.
- איור 2 - מסע התנועה – מן המוח אל השריר.
- (1) כשהרמזור מתחלף לירוק, המידע הזה נשלח מהעיניים שלכם אל המוח. (2) קליפת המוח המוטורית – אזור המוח שמתכנן תנועות, ומורה לגוף שלכם להתחיל ללכת; ההוראות נשלחות משם מטה, אל גזע המוח. (3) בדומה למרכזייה, גזע המוח מעביר את ההוראות הללו אל האזורים המתאימים בחוט השדרה. (4) תאי עצב תנועתיים בחוט השדרה, שמתחברים לשרירים ברגליים, בזרועות ובגוף, נכנסים לפעולה. (5) תאי העצב התנועתיים האלה גורמים לשרירים להתכווץ, וכך מאפשרים לכם לצעוד קדימה ולחצות את הכביש.
מוצאים תבניות ב"שמיים" של גזע המוח
במשך 15 השנים האחרונות, מיקדתי חלק גדול מן המחקר שלי בהבנת תפקידו של גזע המוח במערכת התנועה. כשהתחלתי, גזע המוח היה כמו "קופסה שחורה" – איש לא הבין באמת מה מתרחש שם. זה היה כמו להביט בשמי הלילה בלי מפה, ולראות כוכבים רבים, בלי כל תבנית שמחברת ביניהם. עם הזמן, מצאנו תבניות בגזע המוח, ונוכחנו לגלות שהוא למעשה מאורגן בצורה מדהימה.
כשחקרנו את המבנה של גזע המוח, הגענו לתובנה חשובה ביותר, והיא שכל אזור שולט בסוג תנועה אחר מזה של אזור אחר [3, 4]. אחת הרשתות קשורה לתנועה ממקום למקום, ואילו רשת אחרת אחראית על תנועות מיוחדות של הגפיים הקדמיות – הזרועות והידיים – כמו אלה שעליכם לעשות כשאתם מרימים את הטלפון הנייד שלכם. מנקודת המבט של גזע המוח, אלה דברים שונים לחלוטין זה מזה. תנועה ממקום למקום נחשבת "תנועה אוטומטית" – היא דורשת פחות תכנון מודע, אף שצריך להתקיים תיאום בין שרירים רבים. לעומת זאת, תנועות מיומנוֹת של הזרועות והידיים, כמו הקלדה, או נגינה בפסנתר, דורשות תכנון מדויק, כוונה ותרגול. כשמדובר בתנועות של כל הגוף, כמו תנועה ממקום למקום, תאי העצב בגזע המוח שולחים "ענפים" לאורך כל חוט השדרה, וכך מפעילים את ה"תוכנות" האלה. עבור תנועות מיומנות של הזרועות והידיים, תאי עצב אחרים בגזע המוח מתחברים רק למקטעים מסוימים בחוט השדרה – למשל, לאלה ששולטים בהושטת הזרוע ובאחיזה – ומפעילים את מספר השרירים המסוימים הדרושים לתנועות מדויקות וייעודיות.
מעניין לדעת שחלק מן התנועות יכולות להתרחש באותו הזמן, ואילו אחרות לא. למשל, אתם יכולים ללכת ולהקליד בטלפון באותו הזמן, אף שזה עלול להיות מסוכן! עם זאת, אינכם יכולים לשחק טניס ולנגן בפסנתר באותו הזמן. הדבר חושף בפנינו מידע נוסף על האופן שבו קבוצות של תאי עצב מאורגנות בגזע המוח – חלקן יכולות לפעול בד בבד, ואילו אחרות חייבות לפעול כל אחת בתורה.
קריאה וכתיבה של קוד התנועה
כיצד מדענים כמוני מגלים אילו תאי עצב בגזע המוח שולטים באילו תנועות גוף? אנו עורכים מגוון סוגים של ניסויים, וכאן אני רוצה לשתף אתכם בשניים מהם: "קריאה" ו"כתיבה" (איור 3).
- איור 3 - קריאה וכתיבה של אותות בגזע המוח.
- (A) באמצעות החדרת אלקטרודות אל גזע המוח, אנחנו יכולים "לקרוא" את הפעילות החשמלית של תאי עצב מסוימים וללמוד כיצד הם מתקשרים זה עם זה. (B) לאחר שאנו מזהים אילו תאי עצב פעילים בזמן תנועה מסוימת, אנו יכולים להשתמש בשיטה שנקראת אופטוגנטיקה, כדי לכוון אליהם אור ו"לכתוב" את הפעילות החשמלית שלהם – כלומר, להפעיל את תאי העצב שאנחנו רוצים לחקור, או להשבית אותם. (C) יחד, שיטות ה"קריאה" וה"כתיבה" הללו מאפשרות למדענים לחשוף את קבוצות הכוכבים החבויות בתוך "השמיים זרועי הכוכבים" של גזע המוח.
"קריאה" פירושה שאנו מודדים את הפעילות החשמלית של תאי עצב ומאזינים לאופן שבו הם "מדברים" זה עם זה. אנו עושים זאת בעזרת גשושיות חשמליות זעירות, שמתעדות את פעילות המוח של בעל חיים חי (במקרה שלנו – עכבר). אנו יודעים שתא עצב פעיל "מדבר" במהירות באמצעות אותות רבים בזמן קצר, משהו כמו "טו-טו-טו-טו-טו-טו" (אתם יכולים לשמוע דוגמה לכך בסרטון הזה) ואילו תא עצב לא פעיל משמיע "טו—-טו—-טו", כלומר, הוא "מדבר" הרבה יותר לאט. בעזרת שיטת התיעוד הזאת יש ביכולתנו לזהות אילו תאי עצב פעילים ברגע מסוים ובאזור מסוים במוח.
במעבדה, אנו מאזינים לאלפי תאי עצב, שכולם "מפטפטים" ללא הפסקה. אנחנו מתעדים מה הם "אומרים" בזמן שבעל החיים זז באופן כלשהו. חלק מתאי העצב יורים אותות במהירות רק כשבעל החיים רץ. אחרים פעילים רק כשבעל החיים לועס מזון. כשאנחנו "קוראים" את השיחה העצבית הזאת וצופים במה שבעל החיים עושה, אנו יכולים להתחיל לפצח את הקוד: אילו תאי עצב אחראים לתנועות מסוימות ואילו לאחרות.
החלק האחר של הניסויים שלנו הוא ה"כתיבה", כלומר, הפעלה מכוונת של תאי עצב שנבחרו. לאחר שקראנו את הקוד והבנו אילו תאי עצב שולטים בתנועה מסוימת, אנו מנסים ליצור את התנועה הזאת בעזרת אופטוגנטיקה – שיטה שמאפשרת לנו להפעיל תאי עצב מסוימים באמצעות אור [5]. אם זיהינו נכון את תאי העצב שאחראים לתנועה מסוימת – למשל, ריצה – הרי שאם נשתמש באור כדי להפעיל אותם, בעל החיים אמור להתחיל לרוץ. אם זה אכן קורה, אנחנו יכולים לאשר שזיהינו את תאי העצב שיכולים ליצור את התנועה הזאת. לחלופין, אנו יכולים להשבית אותם, ולבדוק אם התנועה הזאת פוסקת, או מתרחשת בצורה אחרת.
אלו הן שיטות מועילות מאוד, שעזרו לנו לזהות אזורים נפרדים בתוך גזע המוח המורכבים מסוגים רבים ומגוונים של תאי עצב. בעזרת שיטות ה"קריאה" וה"כתיבה" הללו, אנו יכולים לחזות במדויק אילו תאי עצב ישלטו בתנועות מסוימות! זה כמו להצליח סוף-סוף לראות את קבוצות הכוכבים בתוך מערכות הכוכבים העצומות של גזע המוח, וליהנות מהסדר היפה שמתגלה בפנינו.
צועדים לעבר העתיד של חקר התנועה
המחקר שבו אני עוסקת נקרא מדע בסיסי – הוא מתמודד עם שאלות ביולוגיות יסודיות, כמו "כיצד המוח שולט בתנועה?". אף על פי שמדע בסיסי אינו מכוון ישירות לשיפור בריאות האדם, הוא מוביל לעיתים קרובות לתגליות בלתי צפויות, שפותחות דלתות חדשות לשימושים רפואיים. למשל, בפגיעות בחוט השדרה, תאי עצב שנמצאים במקום נמוך יותר ממקום הפגיעה עדיין מתפקדים באופן מלא, אבל לא מקבלים הוראות מן המוח. אם נבין איך תאי עצב בגזע המוח מתקשרים עם תאי עצב בחוט השדרה, אולי נוכל לפתח דרכים לגרות באופן מלאכותי את תאי העצב הנכונים בחוט השדרה, ולשקם את יכולת התנועה של אזורים שהיו משותקים בעבר.
למרות כל מה שלמדנו, השאלה הגדולה ביותר – "כיצד הכול פועל יחד?" עומדת בעינה. מערכת העצבים שלכם לא שולטת רק בתנועות הנוכחיות שלכם –בד בבד היא גם מתכננת את התנועות העתידיות שלכם, ועוקבת אחר תנועות שכבר עשיתם ועזרו לכם ללמוד משהו. במובן מסוים, מערכת העצבים שלכם מסונכרנת עם כל החיים שלכם! הדבר מעלה עוד שאלה מעניינת: כיצד חוויות החיים מעצבות את המבנה של מערכת העצבים שלכם? דמיינו שהיה אפשר לשכפל את מערכת העצבים של תינוק, ולהעביר אותה לתינוק אחר, שחי בהמשך חיים שונים לחלוטין. עד כמה שונות היו שתי מערכות העצבים, אחרי 50 שנה?
יש לנו עוד כל כך הרבה דברים לחקור על המבנה של גזע המוח, על קודי התנועה שהוא מכיל, ועל האופן שבו תאי עצב מתַקשרים בסנכרון מדהים כדי לתאם את כל מה שאנחנו עושים. וכל מה שאנחנו עושים – הוא תנועה. התעלומות הללו הן מה שממשיך לרגש מדענים כמוני, ונותן לנו מוטיבציה להתמיד במחקר המדעי בכל יום מחדש.
מילון מונחים
מערכת התנועה (Motor System): ↑ קבוצת ה"שחקנים", ובהם המוח, חוט השדרה והשרירים, שפועלים יחד כדי לתאם כל תנועה שעושים.
קליפת המוח המוטורית (Motor Cortex): ↑ החלק במוח שמתכנן תנועות ומספק הוראות.
גזע המוח (Brainstem): ↑ אזור בבסיס המוח שמעבד אותות בין מרכזי תנועה גבוהים יותר לבין השרירים, ו"מקודד" תנועות מכמה סוגים.
חוט השדרה (Spinal Cord): ↑ ה"כביש הראשי" שעובר לאורך עמוד השדרה, מעביר אותות מן המוח אל השרירים דרך תאי עצב תנועתיים, ושולט ברפלקסים.
תאי עצב תנועתיים (Motor Neurons): ↑ תאי עצב שמעבירים את אותות ה"תנועה" הסופיים מחוט השדרה אל השרירים, כדי לגרום להם להתכווץ.
תנועה ממקום למקום (Locomotion): ↑ הזזת הגוף ממקום אחד לאחר, למשל באמצעות הליכה, ריצה או שחייה.
אופטוגנטיקה (Optogenetics): ↑ מערכת ניסויית, שבה משתמשים באור כדי להפעיל תאי מוח מסוימים או לכבות אותם, במטרה לחקור מהם התפקודים שעליהם הם אחראים.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
תודות
אני מבקשת להודות לאור רפאל על עריכת הריאיון ששימש כבסיס למאמר הזה ועל הכתיבה המשותפת של המאמר, לאיריס גת על האיורים, ול-Susan Debad על עריכת הלשון של כתב היד.
חומרי קריאה נוספים (אנגלית)
1. The Brain Prize 2022: Circuits for Movement
2. The Brain Prize Explainer: How we move
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] ↑ Arber, S. 2012. Motor circuits in action: specification, connectivity, and function. Neuron 74, 975–89. doi: 10.1016/j.neuron.2012.05.011
[2] ↑ Arber, S. 2017. Organization and function of neuronal circuits controlling movement. EMBO Mol. Med. 9, 281–4. doi: 10.15252/emmm.201607226
[3] ↑ Ferreira-Pinto, M. J., Ruder, L., Capelli, P., and Arber, S. 2018. Connecting circuits for supraspinal control of locomotion. Neuron 100, 361–74. doi: 10.1016/j.neuron.2018.09.015
[4] ↑ Falasconi, A., Kanodia, H., and Arber, S. 2025. Dynamic basal ganglia output signals license and suppress forelimb movements. Nature 644, 749–58. doi: 10.1038/s41586-025-09066-z
[5] ↑ Adamantidis, A., Arber, S., Bains, J. S., Bamberg, E., Bonci, A., Buzsáki, G., et al. 2015. Optogenetics: 10 years after ChR2 in neurons—views from the community. Nat. Neurosci. 18, 1202–12. doi: 10.1038/nn.4106