צירופים
מאת מגזין מכון ויצמן
המאמץ לפענח את הדרך שבה תאי העצב במוח משוחחים זה עם זה דומה ללימוד שפה חדשה באמצעות האזנה לשיחות של דוברי השפה בלבד. בתחילה זו עשויה להיראות לנו משימה בלתי-אפשרית, אבל עם הזמן נתחיל לקלוט ולהבין מילים בסיסיות וצירופי מילים שחוזרים על עצמם
ד"ר אלעד שניידמן מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון מדמה את המאמץ לפענח את הדרך שבה תאי העצב במוח משוחחים זה עם זה ללימוד שפה חדשה באמצעות האזנה לשיחות של דוברי השפה בלבד. בתחילה זו עשויה להיראות לנו משימה בלתי-אפשרית, אבל עם הזמן נתחיל לקלוט ולהבין מילים בסיסיות וצירופי מילים שחוזרים על עצמם. כאשר נגיע למצב בו אנו כבר מבינים כאלף או אלפיים מילים, תהיה לנו גם הבנה ראשונית של הדקדוק, וכך נצליח לשלב בשיחותינו מילים חדשות.
מרבית המידע שיש לנו על התקשורת העצבית במוח נובע ממחקרים שעוסקים ב"אותיות" וב"מילים" שמרכיבות אותה – כלומר, בפעילותם של תאי עצב בודדים, או קבוצות קטנות של תאים. מידע זה מתקבל בניסויים בהם נמדד "ירי" של אותות חשמליים, שמשגרים תאי עצב יחידים, או זוגות תאים. ניסיונות אלה דומים במקצת לניסיון להבין ספר באמצעות קריאת מספר מילים קטן מתוכו. לדעתו של ד"ר שניידמן, השיחות המעניינות באמת מתנהלות בין קבוצות גדולות יותר של תאי עצב. מחקריו מנסים לפענח את הכללים הבסיסיים של התקשורת בין תאי העצב ושל התנהגות הקבוצתית שלהם. לשם כך, הוא מתבונן בתבניות של פעילות חשמלית ברשתות של כ-100 תאי עצב, ומנסה להבין את יחסי הגומלין ביניהם.
חוקרים מעטים מאוד מנסים לחקור במדויק קבוצות גדולות כל כך של תאים. הקושי נובע גם מכך ש-100 תאי עצב מציגים שפע עצום של תבניות פעילות אפשריות – בסדר גודל של 1030 תבניות. לכן, כל ניסיון לחלץ מידע שימושי מרשת כזו נראה כמשימה בלתי- אפשרית.
ד"ר שניידמן, ביחד עם תלמיד המחקר מקבוצתו, אלעד גנמור, וד"ר רונן שגב מאוניברסיטת בן גוריון, ניגשו לאתגר הזה כשהם מצוידים בשילוב של כלים ניסיוניים ומודלים מתמטיים. לצורך החלק הניסיוני לקחו המדענים פיסות רשתית מעיניים של סלמנדרות ושל דגי צלף Archer Fish)).
כל פיסת רקמה, באורך וברוחב של כשני מילימטרים, הכילה מאות תאי עצב, ומתוכם נרשמה הפעילות החשמלית של 100 תאים במשך שעות. החוקרים הקרינו לפיסות הרשתית האלה סרטי טבע, ובחנו את האותות החשמליים שמשגרים תאי העצב. "הפעילות החשמלית של תאי העצב שברשתית היא למעשה ה'פלט', כלומר תוצאת ה'חישוב' שמבצעת הרשתית על הקלט הוויזואלי, אשר לאחר מכן נשלח ממנה למוח", אומר ד"ר שניידמן. "תאי הרשתית ותאי המוח מצויים על מעגל עצבי אחד, והתקשורת ברשתית זהה לתקשורת בין תאי המוח. כאשר הרשת העצבית הזו נחשפת לסצינות שונות, נוכל לראות תבניות פעילות ייחודיות. מעניין לציין, כי הצלחנו להבחין בתבניות פעילות המצייתות ל'דקדוק' ייחודי, אשר מופיע, כנראה, רק בתגובה לסצינות טבעיות, אך לא בתגובה לסצינות של 'רעש לבן', או להקרנת דמויות לא טבעיות".
כדי לחשוף כמה מכללי היסוד של פעילות תאי העצב, השתמשו המדענים במודל מתמטי דומה למודל מתחום הפיסיקה, שפותח במטרה לחקור את ההתנהגות של מספר גדול של מגנטים בתוך שדות מגנטיים. מודל דומה משמש גם בסטטיסטיקה וגם כדי לחקור כיצד מכונות לומדות. בכל התחומים האלה, ההתנהגות המורכבת נוצרת כתוצאה מיחסי גומלין בין זוג גורמים: משיכה ודחייה במקרה של מגנטים, מצבי "הפעל" ו"הפסק" של משתנים בינאריים, ירי חשמלי ושקט של תאי עצב.
כאשר הכניסו המדענים למודל את הנתונים שנאספו ברשתות קטנות, התקבלה התאמה טובה בין המודל לממצאים הניסיוניים. ברשתות גדולות יותר התקבלה התאמה טובה למדי, מלבד מספר נקודות שלא התאימו למודל. בבדיקה מדוקדקת יותר הבינו המדענים, כי נקודות אלה שייכות לתבניות הפעילות השכיחות ביותר, אשר מציגות דקדוק מורכב יותר.
ליתר דיוק, הן ביטאו חוסר התאמה בין תאי עצב שאי-אפשר להסביר אותו באמצעות יחסים בין זוגות תאים בלבד. כתוצאה מכך, המודל שפיתחו זיהה היטב את הצירופים הנדירים, אבל היה מדויק פחות לגבי צירופים נפוצים יותר. בדומה לאדם הלומד שפה זרה, אשר צריך ללמוד להגיד "אני רוצה לאכול" לפני שיתקדם להזמנת ארוחה בת ארבע מנות, הבינו גם ד"ר שניידמן ועמיתיו, כי הבנה מלאה של שפת המוח מחייבת להתמודד גם עם הביטויים ה"יומיומיים". האתגר שניצב בפניהם, אם כן, היה למצוא מודל אחד ש"יכסה" הן את התבניות הנפוצות והן את הנדירות.
להפתעתם גילו המדענים, כי שינוי זניח לכאורה באופן הייצוג של פעילות של התאים במודל המתמטי נותן דרך פשוטה ויעילה להסיק את כללי הדקדוק של התקשורת בין תאי העצב: במקום לסמן תא עצב שקט ב-(1-) ופעיל ב-'1', כפי שסומנו במודל הפיסיקלי המקורי, הקוטב השלילי והחיובי של מגנט, הם השתמשו ב-'0', וב-'1'. השינוי הזה – שהוא לכאורה חשבוני בלבד – השפיע במידה עצומה על סידור האיברים בנוסחה. הם הבינו, כי השינוי הזה יתרחש רק במקרה מסוים אחד: המקרה שבו תאי העצב ברשת פעילים לעיתים רחוקות יחסית. זהו בדיוק המצב במוח: במרבית הזמן, רוב תאי העצב במוח אינם פעילים. השינוי הקטן במודל איפשר לתרגם גם את הצירופים הנפוצים, וכך לחשוף את יחסי הגומלין הבסיסיים בין תאי עצב. בנוסף, בדיקת ההבדלים בין הצירופים השונים איפשרה לחוקרים לזהות כללים שונים מאלה שמתבטאים בתבניות הנפוצות.
למעשה, מתוך רשת מורכבת באופן כמעט בלתי-נתפס של יחסי גומלין אפשריים, הצליחו המדענים לקבל תמונה מדויקת להפליא של אופי התקשורת בקבוצה גדולה של תאי עצב. "הצלחנו להרכיב 'ספר דקדוק' בסיסי המציג מיליוני תבניות פעילות חשמלית, אשר נוצרות מכ-500 צירופים נפוצים שמבוססים על קשרים בין זוגות, שלישיות ורביעיות של תאי עצב", אומר ד"ר שניידמן. "נראה כי ניתן ללמוד את הדקדוק של שפת תאי המוח, בהנחה, כמובן, שנדע באילו דוגמאות לבחור". הוא סבור, כי אפשר ללמוד את שפת תאי העצב מפני שהיא בנויה קצת כמו השפות הטבעיות המוכרות לנו, והסיבה היא, שחלק אחד של המוח צריך ללמוד את השפה של חלק אחר. כך, לדוגמה,ייתכן שהחזרה המתמדת על צירופים נפוצים היא הדרך שבה תאי העצב רוכשים את יכולות התקשורת שלהם, וממשיכים להבין אחד את השני.
בעקבות התובנה החדשה ביחס לאופי התקשורת הבין-תאית הצליחו החוקרים לפענח את המידע הוויזואלי שהתקבל מקבוצות גדולות של תאי רשתית. ד"ר שניידמן סבור, שבאמצעות הגישה החדשה אפשר יהיה, בעתיד, לקבל תמונה מפורטת על פעילות קבוצות גדולות של תאי עצב בחלקים שונים של המוח, ואף "לקרוא" את המידע המוצפן ברשתות האלה. יכולת זו עשויה לסלול את הדרך לגישות חדשות לטיפול בבעיות נוירולוגיות שונות.