במשך עשרות שנים, אחת השאלות הבסיסיות ביותר במדעי המוח נשארה פתוחה: איך המוח מצליח לקחת מידע גולמי שמגיע מהעיניים - קווים, זוויות וניגודים - ולהפוך אותו לעולם עשיר של עצמים, מרחב ומשמעות. כעת, מחקר חדש בהובלת פרופ' ארתור קונרת מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן ובשיתוף פרופ' ישראל נלקן מהאוניברסיטה העברית בירושלים, שפורסם בכתב העת Science, מספק לראשונה הוכחה ישירה לתיאוריה שהוצעה לראשונה כבר בשנת 1962: באמצעות מיפוי כל הקלטים אל תא עצב יחיד בקליפת המוח הראייתית בדיוק חסר תקדים, אימת הצוות את "מודל ההזנה קדימה" (feedforward) של חתני פרס נובל דייוויד הובל וטורסטן ויזל.
הראייה האנושית מתחילה הרבה לפני שנוצרת תמונה במוח. בשלב הראשון מדובר במידע גולמי שמקורו באור - כזה שצריך לעבור המרה ועיבוד לפני שהוא מקבל משמעות. "האור נקלט ברשתית העין, זה ידוע עוד מימי היוונים", מסביר פרופ' נלקן ממרכז ספרא למדעי המוח והמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית, מוביל המחקר. "הרשתית נמצאת בחלק האחורי של גלגל העיניים ובה קורית הטרנספורמציה של אור לחשמל. חשמל זו השפה הפנימית של המוח. במוח כל אלמנט מדבר עם כל אלמנט אחר בשפה של חשמל וכימיה. האור הופך לחשמל ברשתית, ומשם המידע עובר דרך תחנת ביניים שנקראת תלמוס אל קליפת המוח הראייתית שנמצאת בחלק האחורי של המוח".
פרופ' ישראל נלקן, העבריתצילום: Maxim Dinsteinהדרך להבנת האופן שבו המוח מעבד מידע חזותי לא נפרשה ביום אחד, אלא נבנתה בהדרגה לאורך יותר ממאה שנה של מחקר. "מי שגילה שקליפת המוח הראייתית קשורה לראייה היה הרופא היפני טצוג'י אינויה ב-1905", אומר נלקן. "זה קרה בזמן מלחמת יפן-רוסיה, מלחמה עם נגיעה לתולדות ישראל, שם יוסף טרומפלדור איבד את ידו. ד"ר אינויה שם לב שחיילים שנפגעו בחלק האחורי של ראשם איבדו את יכולת הראייה. ככה זיהו את האזור הזה כאזור שקשור לראייה, אך עדיין לא ידעו כיצד האזור הזה פועל".
רק עשרות שנים לאחר מכן החלה להתבהר התמונה הביולוגית של המוח: בשנות ה-50 התבססה ההבנה שהמוח בנוי מתאי עצב שמעבירים ביניהם מידע. אבל הפריצה הגדולה הגיעה בתחילת שנות ה-60, עם מחקריהם של דייוויד הובל וטורסטן ויזל. הם גילו דבר מפתיע: בשלבים הראשונים של מערכת הראייה, ברשתית ובתלמוס, תאי עצב מגיבים לנקודות קטנות של אור. אבל בשלב הבא - בקליפת המוח הראייתית – תאי עצב מגיבים לקווים.
"ברשתית ובתלמוס' תאי עצב רגישים לכתמים קטנים במרחב - לכל תא עצב יש מקום במרחב שאם אתה מאיר בו אור התא פועל. הובל וויזל הראו שכשמודדים פעילות של תאי עצב התאים רגישים לקווים ולא לכתמים קטנים במרחב. זאת הייתה הפעם הראשונה בהיסטוריה של מדעי המוח שאנשים יכלו להצביע על מה שנקרא חישוב"
"ברשתית ובתלמוס", מפרש פרופ' נלקן, "תאי עצב רגישים לכתמים קטנים במרחב - לכל תא עצב יש מקום במרחב שאם אתה מאיר בו אור התא פועל", הוא מסביר. "הובל וויזל הראו שכשמודדים פעילות של תאי עצב בקליפת המוח הראייתית, התאים רגישים לקווים ולא לכתמים קטנים במרחב. זאת הייתה הפעם הראשונה בהיסטוריה של מדעי המוח שאנשים יכלו להצביע על מה שנקרא חישוב – מצב שבו אתה רואה תא עצב שרגיש למשהו שונה מהקלטים שלו. אתה עובר מרגישות לנקודה קטנה בעולם לרגישות לקווים שיש להם כיוון".
הגילוי הזה הציב שאלה פתוחה: איך המוח מצליח להפוך אותות פשוטים של נקודות קטנות לזיהוי של קווים בעלי כיוון. "במהלך השישים-שבעים שנים האחרונות אנשים ניסו להסביר איך התאים בקליפת המוח הראייתית מייצרים את הטרנספורמציה הזאת מנקודות קטנות לקווים", מרחיב נלקן. "ההשערה של הובל וויזל הייתה שהתאים רגישים לכיוון מכיוון שכל תא עצב מקבל הרבה קלטים מהרבה נקודות קטנות שנמצאות על קו ישר. מאז ועד היום, אנשים פיתחו תיאוריות רבות על איך החישוב הזה מתבצע".
מהשערה להוכחה
אבל דווקא כאן התגלה הפער בין התיאוריה לבין היכולת להוכיח אותה בפועל. "הבעיה הייתה קושי טכני", ממשיך פרופ' נלקן. "כדי להראות איך הטרנספורמציה מהקלטים שבאים מהתלמוס לפלט של תא העצב הזה מתבצעת, צריך למדוד את כל הקלטים שמגיעים מהתלמוס לתא העצב ולמדוד איך תא העצב סוכם אותם. אבל זה היה בלתי אפשרי עד היום. כל תא עצב בקליפת המוח הראייתית מקבל מאות קלטים מהתחנה הקודמת, מהתלמוס, וגם אלפי קלטים ממקומות אחרים במוח. הטכנולוגיה לא אפשרה למדוד את כל הקלטים שמגיעים לאותו תא עצב".
רק בשנים האחרונות הבשילו הכלים הטכנולוגיים שאפשרו לבדוק את ההשערה הזו ישירות. צוות המחקר מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן ומהאוניברסיטה העברית השתמש בשיטה מתקדמת במיוחד, שמאפשרת לראשונה להציץ אל פעילות המוח ברזולוציה של סינפסות בודדות - נקודות החיבור הזעירות בין תאי עצב. באמצעות הדמיית גלוטמט, המוליך העצבי המרכזי שמעביר אותות בין תאים, הצליחו החוקרים לעקוב בזמן אמת אחר האופן שבו תאי עצב מתקשרים זה עם זה במוח חי.
במסגרת הניסוי, שנמשך מספר ימים, מיפו החוקרים את שלוחות הקלט של תא עצב יחיד, והצליחו לזהות כמעט 90% מהקשרים המעוררים הפעילים אליו. באמצעות שיטות אפיון מתקדמות, הם אף הצליחו להבחין אילו מהקלטים הללו מגיעים מהתלמוס - אותה תחנת ביניים מרכזית במסלול הראייה.
"השיטה משלבת שני 'קסמים' מ-10–15 השנים האחרונות", מסביר פרופ' נלקן. "הקסם הראשון הוא השימוש במה שנקרא מיקרוסקופיה רב-פוטונית. לשם המחשה, גודלו של תא עצב קטן מעשירית מילימטר. סינפסה קטנה הרבה יותר - היא בערך אלפית של מילימטר. במיקרוסקופיה רב-פוטונית ניתן לראות דברים שהם בסדר גודל של סינפסה, בתוך המוח החי.
"הקסם השני הוא שימוש בהנדסה גנטית כדי לייצר חלבון שפולט אור כאשר הוא מתקשר לחומר הכימי שמתקשר בין תאי עצב, במקרה הזה גלוטמט. מה שקורה בסינפסה זה שתא עצב אחד משחרר חומר כימי שמתחבר לקולטנים בצד השני, והטריק הוא לשים שם חלבון שיתקשר לגלוטמט. כשהחומר הכימי מתקשר אליו נוצר אור. השילוב של החלבון הזה ושל מיקרוסקופ רב-פוטוני אפשר את הפרויקט הזה".
"אחד הדברים שקשה לי להעביר בשיחות כאלה זה כמה מפתיעה העובדה שבין העולם החומרי לבין איך שאנחנו תופסים אותו באופן מודע נמצא הדבר הזה שקוראים לו מוח. יש כאן נגיעה מוחשית בבעיית גוף ונפש. כשאנחנו חוקרים תפיסה ראייתית או שמיעתית אנחנו רואים פינה קטנה אבל מוגדרת היטב של הקסם הזה"
מעבר ליכולת התצפית, השיטה החדשה אפשרה לבחון ישירות את ההשערה של הובל וויזל. "הצלחנו לראות את הארגון המרחבי של הקלטים כפי שהציעו הובל וויזל. יש הרבה אינדיקציות שהמודל הזה אינו כל הסיפור, אבל מה שהראינו במאמר הזה – שבהנחה על הארגון המרחבי של הקלטים שמאפשר לתא להפוך לרגיש לכיוון - לפחות בכך הם צדקו". במילים פשוטות, המוח מחבר נקודות לקווים כפי שסברו הובל וויזל, וכעת יש לכך הוכחה ישירה.
להציץ עמוק יותר
המחקר, שנשען על שיתוף פעולה בינלאומי רחב - מאפיין בולט של חקר המוח כיום - מחבר בין קבוצות מחקר מובילות בעולם. פרופ' נלקן, הפועל במסגרת זו, נתמך גם בפרס מחקר של קרן הומבולדט. מעבר להכרעה בוויכוח מדעי שנמשך עשרות שנים, החוקרים מצביעים על פוטנציאל רחב יותר של הממצאים, אך מדגישים כי בשלב זה מדובר בעיקר בפריצת דרך מתודולוגית: כלי מחקר חדש שמאפשר לשאול שאלות עמוקות יותר, יותר משהוא מספק תשובות מיידיות.
"במה זה יעזור בעתיד, זאת שאלה שהיא לא פשוטה", אומר פרופ' נלקן. "מצד אחד אנחנו מאד מתלהבים מהתוצאות, אבל צריך להכיר בכך שהמאמר הזה במידה מסוימת הוא מאמר שיטות. מה שעשינו בו היה להסתכל אחורה ולא קדימה. הלכנו למקום ידוע שבו התשובות הן בסך הכול די ברורות. התרומה העיקרית שלו אינה במה שעשינו אלא מה שיעשו עם השיטות האלה בעתיד. זה הופך לאחד מהכלים שמאפשרים להסתכל עמוק יותר על מה תא עצב עושה בקליפת המוח".
מעבר להיבט הטכנולוגי והמדעי, המחקר נוגע גם בשאלה עמוקה יותר: איך המוח מתרגם את העולם הפיזי לחוויה שאנחנו חווים כתודעה. "איך המוח עובד - באיזשהו מובן אנחנו יודעים: יש הרבה תאי עצב שמקושרים אלה עם אלה בקשרים כימיים וחשמליים, וכל השאר זה פרטים. אבל בפרטים האלה נמצא הקסם", אומר פרופ' נלקן.
"אחד הדברים שקשה לי להעביר בשיחות כאלה זה כמה מפתיעה העובדה שבין העולם החומרי לבין איך שאנחנו תופסים אותו באופן מודע נמצא הדבר הזה שקוראים לו מוח. יש כאן נגיעה מוחשית בבעיית גוף ונפש. כשאנחנו חוקרים תפיסה ראייתית או שמיעתית אנחנו רואים פינה קטנה אבל מוגדרת היטב של הקסם הזה - של איך חומר הופך להיות רוח".
לצד ההיבט הבסיסי, מדגישים החוקרים שלהבנה כזו של המוח יש גם השלכות רחבות יותר - במיוחד בתחום הרפואי. זה יעזור לנו לפתור מחלות שקשורות למוח, החל ממחלות נוירודגנרטיביות כמו אלצהיימר ופרקינסון, ומחלות פסיכיאטריות כמו סכיזופרניה ודיכאון. כל פרט נוסף שאנחנו יודעים על המבנה ותפקוד המוח עוזר לנו גם להבין את המחלות האלה.
"זה אולי נשמע כמו אמירה כללית", הוא מסכם, "אך התגלית שלנו בעיקר היא ההדגמה שהשיטה הזו עובדת, ואנחנו יודעים להסתכל על כל הקלטים שמגיעים לתא עצב אחד ולהגיד משהו על מה הם עושים ביחד. מאמר כזה הוא אבן דרך יותר מאשר תשובה מיידית לשאלות הקשות האלה".
