מחקר בטכניון גילה ממצאים חדשים על מרכז הבקרה המוחי

צוות חוקרים בראשות פרופ' ג'קי שילר מהפקולטה לרפואה בטכניון מיפה לראשונה, ברמת רזולוציה חסרת תקדים, את הייצוג המוחי של הפקודות השולטות על  תנועת הגפיים. את המחקר התפרסם ב-Science.

לדברי פרופ' שילר, "המוטיבציה למחקר היתה הרצון להבין את המנגנון המאפשר לקורטקס, קליפת המוח המוטורית, לקודד תנועה. זוהי אחת השאלות המסקרנות והחשובות בחקר המוח - כיצד מוחנו מסוגל ללמוד ולייצר מגוון כמעט אין סופי של תנועות חלקות ויעילות".

את ההתמקדות בסוגיית התנועה מסבירה פרופ' שילר בכך ש"תנועה היא ממשק מרכזי בקשר בינינו לבין העולם הסובב אותנו. התנועה היא מרכיב חיוני ואחד המרכיבים היחידים המאפשרים לאדם, כמו לאורגניזמים אחרים, להגיב לסביבתם ולשנותה. את משמעותה בחיינו אנו מבינים טוב יותר כשמתבוננים בחולים שבהם מערכת התנועה נפגעה, כגון חולי פרקינסון, או באנשים שעברו אירועים מוחיים הפוגעים באזורי התנועה במוח".

אף שכבר עשרות שנים נערכים מחקרים רבים בנושא, שאלת הייצוג והקידוד של תנועה במוחנו עדיין פתוחה. במחקר הנוכחי השתמש צוות החוקרים בטכניון בשיטות אופטיות, מולקולריות וחישוביות מתוחכמות, שאת חלקן פיתח בעצמו, וכך הצליח להוסיף תובנות חשובות לגבי שאלת יסוד זו.

בקרת התנועה מתרחשת בקורטקס, קליפת המוח - האזור הגדול ביותר במוח, האחראי לתפקודים הבסיסיים ביותר ובהם חישה ותנועה וכן לתפקודים קוגניטיביים גבוהים ובהם למידה, חשיבה ורגשות. שיבושים בקליפת המוח עלולים לחולל הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות חמורות.

שלושה תאי עצב פירמידליים בקליפת המוח התנועתית, שתפקידם לשלוח את הפקודות התנועתיות ישירות לחוט השדרה ומתאפיינים בגופי תאים פירמידליים, בעצים דנדריטליים ענפים, מפוצלים ומסועפים במיוחד, תכונה המאפשרת להם לבצע עיבוד מקבילי מורכב של רכיבי התנועה. צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון

הקורטקס בנוי מרשת של נוירונים (תאי עצב), ויחידת העיבוד הבסיסית (אבן הבנייה הבסיסית) של רשת עצבית זו היא התא הפירמידלי. מה שמייחד את הרשת העצבית של המוח היא העובדה שהיחידות החישוביות שלה מתוחכמות ביותר, וזאת בניגוד ליחידות הפשוטות שבונות את הרשתות העצביות המלאכותיות שמשמשות לבינה מלאכותית.

כל אחד מהתאים הפירמידליים מקבל אלפי קלטים ומעבד אותם. את התוצר - הפלט – הוא מעביר לאלפי תאי עצב אחרים. לתאי העצב במוח אברונים מיוחדים הקרויים דנדריטים, שבהם מתמקדים מחקריה של פרופ' שילר. אברונים אלה מאופיינים במבנה מורכב ומסועף דמוי עץ, והם המשמשים לקבל ולעבד את הקלטים העצביים המגיעים לתא.

במחקרים קודמים הראתה פרופ’ שילר שהדנדריטים אינם סתם "ממסרי מידע" אלא מכונות חישוב מורכבות וכי הם מאופיינים ביכולות הגבר לא לינאריות ובגמישות רבה החיונית לזיכרון, ללמידה ולעיבוד מידע. במחקר הנוכחי היא התמקדה בתפקידם בתנועתיות של הגפיים בעכברים.

כיום ברור שתנועה היא תהליך נלמד וכי אנו לומדים תנועות חדשות לא רק בינקות אלא במשך כל החיים. גם תרגול משפר את יכולת התנועה והזנחה פוגעת בה. עם זאת, למרות מחקרים רבים שנערכו בנושא, עדיין אין קונצנזוס מדעי לגבי מנגנון הבקרה המוחי של המוטוריקה. "אחת הסיבות לכך," אומרת פרופ' שילר, "היא מורכבותם של מנגנונים אלה. נתונים חושיים כגון ריח וראייה הם פשוטים יותר, משום שאת הריח אפשר לפרק למולקולות ואת הראייה אפשר לנתח בפשטות יחסית על סמך פיזיקה ופיזיולוגיה של העין. תנועה, לעומת זאת, היא תהליך בעל עושר כמעט אין סופי שקשה מאוד לפרק למרכיביו".

במחקר הנוכחי עקבו החוקרים אחרי הפעילות של אותם עצים דנדריטליים, עצים המהווים חלק חיוני של פעילות התאים, בקורטקס בשעה שהעכבר לומד לבצע משימות של מוטוריקה עדינה (תפיסת עצם ביד) ושל מוטוריקה גסה (תנועה על הליכון).

על ידי החדרה של חיישנים פלורסנטיים באמצעות נגיפים מהונדסים הצליחו החוקרים לרשום את הפעילות מדנדריטים רבים של תא בודד ברמת רזולוציה שלא הושגה עד כה, ולהצליב פעילות זו עם מדדי התנועה. התוצאה: תמונה מלאה של מבנה הדנדריטים וכן של פעילותו של כל דנדריט ודנדריט בשעת ביצוע המשימה המוטורית. כך מיפו החוקרים את ייצוג המידע המוטורי בכל רגע ואת החישובים הנערכים בדנדריטים.

מתוצאות המחקר עולה כי הנוירון הבודד אינו רק שותף ברשת נוירונים אלא מהווה רשת משל עצמו – רשת הכוללת בין השאר דנדריטים המדברים זה עם זה. פירוש הדבר הוא שהפעולות השונות בנוירון נעשות לא רק על ידי חיבור קלטים שונים באופן לינארי (בזו אחרי זו) אלא בפעילות מקבילית, רב שכבתית – מה שמזכיר כמובן את הקונספט המלאכותי של רשתות נוירונים רבודות, שהפך לתחום מחקר תוסס בעשור האחרון בשל יעילותו הרבה בביצוע פעולות שונות של סיווג וזיהוי.

ממצאים אלה תומכים בקיומו של קוד קומבינטורי דינמי הקיים בדנדריטים של תא בודד – קוד המאפשר לייצג מספר רב של משתנים מוטוריים בהתאם למטלה המשתנה.

ממצאים אלה מבהירים כיצד הרשת העצבית במוח מסוגלת לשמור פיסות כמעט אינסופיות של מידע וללמוד משימות חדשות תוך אחסון זיכרון ממשימות קודמות. כעת ברור כי היכולת לשמר כמות עצומה של מידע מוטורי נובעת משילוב בין התכונות המורכבות של תאים בודדים מצד אחד ומהמורכבות של הרשת העצבית מצד שני.

פרופ' שילר מציינת כי המחקר הבסיסי המוצג במאמר עשוי לסייע בהבנה של מחלות מוטוריות כגון פרקינסון. זאת משום שבמחלות אלה קיימת פגיעה בתפקודם של דנדריטים, פגיעה המגבילה להערכת החוקרים את היכולת המוטורית של האדם. נושאים אלה נבדקים כרגע במעבדתה של פרופ' שילר.

המחקר נערך בהשתתפות שתי תלמידות של שילר, הMD/PhD- יארה עוטור ושי אחוות, שתרמו באופן שווה, והשתתפו בו; הפוסט-דוקטורנט נייט סרמק, פרופ' יצחק שילר ופרופ' עמרי ברק, חברי סגל בפקולטה לרפואה בטכניון ואלון פולג-פולסקי מאוניברסיטת קולורדו.