מחקר חדש שנערך באוניברסיטת UCLA, לוס אנג'לס, ארה"ב, עשוי לשנות את האופן שבו מדענים מבינים כיצד המוח עובד ולהוביל לגישות חדשות לטיפול בהפרעות נוירולוגיות ולפיתוח מחשבים ש"חושבים" יותר כמו בני אדם.
המחקר התמקד במבנה ובתפקוד של דנדריטים. אלו הם רכיבים של נוירונים – תאי העצב במוח. נוירון טיפוסי הוא דמוי עץ ומורכב מגוף תא: סומה, ושלוחות: אקסונים ודנדריטים. לשלוחות התא יש תפקיד מרכזי בהעברת המידע העצבי. גוף התא של הנוירון מייצר פולסים חשמליים קצרים בשם "ספייקים" (“spikes”-"קוצים") על מנת להתחבר ולתקשר עם נוירון אחר. מדענים האמינו בדרך כלל כי ספייקים מגופי תא מפעילים את הדנדריטים, אשר כתוצאה מכך שולחים זרמים חשמליים באופן פסיבי לגופי תא של נוירונים אחרים, אך הנחה זו מעולם לא נבדקה ישירות לפני כן. תהליך זה נחשב הבסיס לאופן שבו זיכרונות נוצרים ומאוחסנים.
מדענים האמינו כי זה היה תפקידם המרכזי של דנדריטים.
צוות החוקרים מUCLA גילה כי דנדריטים הם לא רק צינורות הולכה פסיביים. מחקרם הראה כי דנדריטים פעילים חשמלית בחיות שנעות בחופשיות, ומניבים כמעט פי 10 יותר ספייקים מגופי תא. הממצאים קוראים תיגר על הסברה ארוכת השנים שספייקים בגוף התא הם הדרך העיקרית בה מתרחשת החישוביות העצבית שבבסיס תהליכי תפיסה, למידה והיווצרות זיכרון.
"דנדריטים מהווים יותר מ-90% מרקמת העצבים," אומר מאיאנק מהטה (Mayank Mehta), פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה, נוירולוגיה ונוירוביולוגיה, ומחבר ראשי של המחקר. "הידיעה כי הם הרבה יותר פעילים מאשר גוף התא משנה מהיסוד את אופי הבנתנו כיצד המוח מחשב מידע. היא עשויה לסלול את הדרך להבנה ולטיפול בבעיות נוירולוגיות, ולפיתוח מחשבים דמויי-מוח."
הסרטון מציג נוירון עם שלוחות נרחבות של דנדריטים דמוי ענפים. הסמן הכחול קרוב לחלק התחתון מצביע על גוף התא של הנוירון יורה ספייקים. האלקטרודות (מוטות זהב) מתקרבות לענף דנדריטי (אדום) מלמעלה. הדנדריט והאלקטרודה נבלעים על ידי תאי גליה מגינים (ירוק וכחול) המאפשרים את מדידת הספייקים מהדנדריטים (סמן אדום) מבלי לפגוע בדנדריט. יש כמעט פי 10 ספייקים מהדנדריטים (אדום) מאשר ספייקים מגוף התא (כחול).
החוקרים גילו שבנוסף לספייקים, דנדריטים מייצרים גם תנודות גדולות במתח החשמלי; הספייקים הם בינאריים, כלומר, מייצגים אירועים של 'הכל או לא כלום'. גופי התא מייצרים רק ספייקים של 'הכל או לא כלום', כפי שעושים מחשבים דיגיטליים. הדנדריטים יצרו ספייקים דומים, אך בנוסף לכך גם מתחים חשמליים שהשתנו באיטיות והיו גדולים יותר אפילו מהספייקים. דבר זה מרמז על כך שדנדריטים מבצעים חישוביות אנלוגית.
"מצאנו שדנדריטים הם בני כלאיים (היברידים) שמבצעים חישוביות אנלוגית וגם דיגיטלית, ולכן שונים במהותם ממחשבים דיגיטליים גרידא, אך דומים במקצת למחשבים קוונטיים אנלוגיים," מציין מהטה. "אמונה בסיסית במדעי המוח סברה שנוירונים הם מכשירים דיגיטליים, כלומר, מייצרים ספייק או לא. התוצאות שלנו מראות שדנדריטים מייצרים ספייקים דיגיטליים של 'הכל או לא כלום', אבל גם מראים תנודות אנלוגיות גדולות שאינן 'הכל או לא כלום'. זוהי סטייה גדולה ממה שמדעני המוח האמינו במשך כ-60 שנים."
מהטה מוסיף, "מכיוון שנפח הדנדריטים גדול כמעט פי 100 מאשר המרכזים העצביים, יתכן כי המספר הגדול של ספייקים דנדריטיים שמתרחשים מעיד על כך שלמוח יש קיבולת של חישוביות עצבית גדולה פי 100 ממה שנחשב בעבר".
מחקרים שנעשו לאחרונה בפרוסות מוח (הכנה ביולוגית לבדיקת פתופיזיולוגיה של מחלות מוח בהקשר הרקמתי) הראו כי דנדריטים מסוגלים להפיק ספייקים. אך לא היה ברור אם זה יכול לקרות במהלך התנהגות טבעית, ולא באיזו תדירות. מדידת הפעילות החשמלית של דנדריטים במהלך התנהגות טבעית כבר זמן רב היוותה אתגר בגלל שהם כל כך עדינים: במהלך מחקרים בחולדות מעבדה, מדענים גילו כי חיבור אלקטרודות לדנדריטים עצמם בעוד החיות נעו, גרם להרג הנוירונים הללו. לעומת זאת, הצוות מUCLA פיתח שיטה חדשה המערבת הצבת אלקטרודות ליד הדנדריטים ולא עליהם.
המדענים השתמשו בגישה זו ומדדו את פעילות הדנדריטים במשך ארבעה ימים בחולדות שהורשו לנוע בחופשיות בתוך מבוך גדול. במדידות מקליפת המוח (קורטקס) הקודקודית האחורית – אותו חלק של המוח הממלא תפקיד מרכזי בתכנון תנועה – החוקרים מצאו פעילות דנדריטית רבה יותר מאשר בגופי התא – פי 5 יותר ספייקים בשעה שהחולדות ישנו, ועד פי 10 יותר ספייקים כאשר החולדות נעו במבוך וחקרו את סביבתן.
"מודלים קודמים רבים הניחו כי למידה מתרחשת כאשר גופי תא של שני נוירונים פועלים בעת ובעונה אחת," אומר ג'ייסון מור (Jason Moore), חוקר פוסט דוקטורט מ UCLA ומחבר ראשי של המחקר. "הממצאים שלנו מראים שלמידה עשויה להתבצע כאשר נוירון קלט פעיל באותו זמן שהדנדריט פעיל וייתכן שחלקים שונים של הדנדריטים יהיו פעילים בזמנים שונים. מהלך כזה מציע הרבה יותר גמישות מבחינת האופן שבו למידה יכולה להתרחש בתוך תא עצב יחיד."
החוקרים מUCLA מציינים כי התבוננות בגוף התא של נוירון במטרה להבין כיצד פועל המוח סיפקה מסגרת לשאלות רפואיות ומדעיות רבות – החל באבחון ובטיפול במחלות ועד לשאלה כיצד צריך לבנות מחשבים, אך מסגרת מחקרית זו התבססה על ההבנה שגוף התא מקבל את ההחלטות, וכי התהליך הוא דיגיטלי.
"מהממצאים שלנו עולה כי החלטות כאלה מתקבלות בדנדריטים בתכיפות גדולה הרבה יותר מאשר בגוף התא, וכי חישובים כאלה אינם רק דיגיטליים, אלא גם אנלוגיים," אומר מהטה. "בשל קשיים טכנולוגיים, מחקר בתפקוד המוח התמקד בעיקר בגוף התא. אבל אנחנו גילינו את החיים הסודיים של נוירונים, במיוחד של השלוחות הנרחבות שלהם. התוצאות שלנו משנות באופן משמעותי את הבנתנו כיצד נוירונים מחשבים."
המחקר התפרסם בכתב העת Science, מרץ 2017.
תמונה: dreamstime
מקורות:
http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-research-upend-long-held-belief-about-how-neurons-communicate
http://science.sciencemag.org/content/early/2017/03/08/science.aaj1497?rss=1
