מדוע נדמה לנו שהעיגולים זזים?

אתם בוודאי מכירים את אותן אשליות אופטיות, המטעות ומציגות מיצג שווא. מה שרואה העין אינו בהכרח האמת. כמו לדוגמה, תמונת העיגולים המצורפת לכתבה (מימין). הגדילו אותה וצפו בה כמה שניות. בחרו לכם נקודה שחורה במרכזו של אחד העיגולים והסתכלו בה במשך כמה שניות, ולאחר מכן העבירו את מבטכם למרכזו של עיגול אחר. קשה שלא להבחין בכך, שכל העיגולים באיזור מתחילים לפתע להסתובב. לפחות לכאורה.

מדוע התופעה הזאת מתרחשת? מה המשמעות שלה, בעצם? האם באמת אנחנו יכולים לסמוך על העין שלנו ועל מה שהיא מדווחת למוח? פרופ' עמירם גרינולד ממכון ויצמן גילה באחרונה מה גורם למוח לטעות בהבנת המציאות של העיגולים, שנראה לנו כאילו הם מסתובבים למרות שהם עומדים במקום ללא תנועה, במחקר שיש לו השלכות על הבנת אסטרטגיות עיבוד הנתונים במוח, ופורסם בימים האחרונים בכתב העת Nature. המחקר מהווה ציון דרך במאמץ להבנת הצופן העצבי של המוח, שיאפשר אולי להבין יום אחד את עקרונות הפעולה הנסתרים של "מערכת ההפעלה" של איבר החשיבה שלנו.

"קפיצת מדרגה לחקר המוח"

לדברי פרופ' גרינולד, פענוח הצופן העצבי "יביא לקפיצת מדרגה בחקר המוח, בדומה להתפתחות המהירה שחלה בביולוגיה המולקולרית בעקבות פענוח הצופן הגנטי. טכניקות הדימות האופטי שפיתחתי יתרמו גם לפיתוח עידן חדש בתחום הרפואה".

ממצאיו של החוקר מוכיחים, כי קבוצות תאים המעבדות נתונים שונים במוח, מאורגנות בהקשרים גיאומטריים קבועים. משמעות הדבר היא שעיבוד המידע במוח מתבסס על חלוקה גיאומטרית-מודולרית של קבוצות תאים מוגדרות, החוזרת על עצמה שוב ושוב. כך, לדוגמה, קבוצת תאים העוסקת במטלה ייחודית יוצרת מבנה מרחבי אופייני, המשתלב – תוך שמירה על הקשר גיאומטרי קבוע – במבנה אחר, שנוצר על ידי קבוצת תאים אחרת, המטפלת בעיבוד חלקים אחרים של המידע.

למשל, כאשר המוח קולט מידע חזותי, קבוצות התאים המעבדות את מימד העומק משתלבות כמעין פאזל בקבוצות תאים העוסקות בעיבוד צבע, ובקבוצות תאים אחרות המעבדות את נתוני הצורה. השילוב הגיאומטרי-מודולרי המדוייק החוזר ונשנה של כל המרכיבים, יוצר במוח מעין מערך אדיר של "מיקרו-מעבדים" זהים במבניהם ובצורתם. מעבדים כאלה מכסים את כל שדה הראייה, כשהם מפרקים את התמונה למרכיביה השונים (למשל: עומק, תנועה וצבע), מעבדים כל תכונה בנפרד ולאחר מכן בונים מחדש, בצורה שלמה, את תפיסת הראייה במוח.

מערכת ייחודית לדימוי אופטי

התגלית בוצעו באמצעות מערכת ייחודית לדימוי אופטי שפיתח פרופ' גרינולד במכון וייצמן. המערכת מבוססת על מצלמה מהירה ורגישה במיוחד ועל סדרה של צבעים שפותחה במעבדתו בידי הכימאית ד"ר רינה הילדסהיים. צבעים אלה, הנצמדים לקרום תאי המוח החיים, משנים את עוצמת זריחתם על-פי רמת פעילותם של התאים.

המצלמה המהירה מסוגלת להבחין בשינויי הצבע האלה, וכך יכולים החוקרים לדעת איזה תא "יורה" אות עצבי חשמלי, ומתי בדיוק הוא עושה זאת. היתרון העיקרי בשיטת צפייה זו מתבטא בכך שהיא מאפשרת לקלוט את הפעילות החשמלית של מיליוני תאים יחד, בזמן אמת, במקום לבצע מעקב אחר כל תא עצב בודד באמצעות אלקטרודה. עיבוד הנתונים הנאספים במערכת מאפשר לחוקרים למפות במדוייק את פעילות המערכים התפקודיים של רשתות העצבים במוח.

ייחוד חשוב נוסף של המערכת והשיטה שפיתח פרופ' גרינולד, מתבטא בכך שהיא אינה מוגבלת לאבחנה בין תא ש"יורה" אות עצבי לתא שאינו "יורה" – אלא מסוגלת גם להבחין במצבי ביניים רבים המתחוללים מתחת לסף השיגור של האות העצבי. יכולת זו איפשרה לקבוצת החוקרים לזהות מצבים שונים של תאים, שלכל אחד מהם חסרה כמות שונה של פעילות כדי להגיע לסף שממנו התא "יורה" ומשגר אות עצבי חשמלי אל חבריו ברשת. כך עלה בידם למפות מחדש את קבוצות התאים האחראיות לניתוח הנתונים של תופעות חזותיות שונות, כמו תנועה אנכית, תנועה אופקית וצבע.

אז מה, בעצם, גורם למוח לחשוב שהעין צפתה כרגע בעיגולים מתנועעים? גרינולד הבחין בסף מדורג שתמונת העיגול יוצרת בקליפת המוח, דבר שגורם לכך שהמרחק עד הסף הקריטי (לשיגור אותות עצביים) הולך וגדל בהדרגה, ככל שמתרחקים ממקום הפעילות החשמלית של העיגול עצמו.

כאשר העין עוברת לעיגול אחר, נוצרת פעילות נוספת שחוצה את הסף בהדרגה, ככל שמתרחקים מהמוקד הראשוני, ולכן נוצרת אשליית התנועה. הודות לשיטת הדימות האופטי הייחודית שפיתח, עלה בידו לגלות שהכשל מתרחש באחת מהשכבות הראשונות של מערך עיבוד הנתונים במוח.