מבנה דמוי פרפר: כל נקודה מייצגת דפוס פעילות של כ-450 תאי עצב בהיפוקמפוס בחלון זמן של 50 אלפיות השנייה. הצבעים מייצגים מצבי רשת הקשורים להתנהגויות שונות (ריצה, שתייה, סיבוב) במיקומים שונים לאורך מסלול הריצה

המוח בשפתו שלו

הינך נמצא כאן

חקירת מבנה היחסים בין דפוסי הפעילות של אוכלוסיות גדולות של תאי עצב מאפשרת לחשוף תכונות מרכזיות של הקוד העצבי. גישה חדשה זו לחקר המוח עשויה לחשוף מידע משמעותי ה"מסתתר" בפעילות העצבית מבלי להזדקק להנחות מוקדמות בנוגע לתפקוד התאים באיזור מסוים

ג'ון או'קיף חקר את פעילותם של תאי עצב בהיפוקמפוס של מכרסמים בזמן שהם משוטטים וגילה את "תאי המיקום" – תאי עצב המקודדים מיקום ביחס לסביבה ומייצרים מעין מפות פנימיות. על תגלית זו זכה ב-2014 בפרס נובל. גישה זו לחקר המוח – מציאת מתאם בין דפוסי פעילות עצבית באיזור מסוים במוח ובין התנהגות – נפוצה מאוד והובילה לתגליות חשובות רבות. עם זאת, כדי למצוא מתאם שכזה, על החוקרים להניח מראש מה הם מצפים למצוא; או'קיף, למשל, יכול היה לדעת שפגיעה בהיפוקמפוס משבשת את הזיכרון המרחבי, ולכן היה יכול לצפות שמידע מרחבי מקודד בהיפוקמפוס. מדעני מכון ויצמן למדע פיתחו באחרונה גישה אחרת לחקר הקוד העצבי: הם הדגימו כיצד חקירת מבנה היחסים בין דפוסי הפעילות של אוכלוסיות גדולות של תאי עצב מאפשרת לחשוף תכונות מרכזיות של הקוד העצבי, וזאת מבלי להסתמך על הנחות מוקדמות בנוגע למה מקודדים התאים באיזור מסוים. 

שיטות מחקר שפותחו בשנים האחרונות בכמה מעבדות בעולם, ובהן מעבדתו של ד"ר יניב זיו במחלקה לנוירוביולוגיה במכון, מאפשרות לחוקרי מוח לצפות בפעילותם של כאלף תאי עצב בבת-אחת. יכולת זו מאפשרת לקבוצת המחקר של ד"ר זיו לפרוץ את גבולות הניסוי המסורתיים של זיהוי מתאם בין דפוס עצבי להתנהגות, ולהציג שאלה פשוטה יותר הנמנעת מהנחות מוקדמות: כיצד מאות או אלפי תאי עצב פועלים יחדיו? "הצורך בהנחות מוקדמות מגביל את היכולת לחשוף מה תאי עצב באיזור מסוים במוח באמת מקודדים", אומר מדען הסגל ד"ר אלון רובין שהוביל את המחקר. "אם נוכל לזהות דפוסים רק מהתבוננות בפעילות של רשתות עצביות – מבלי להסתמך על מדידת התנהגות כלשהי – ייתכן שנוכל לנחש באופן מושכל מה רשתות אלה עושות, ואז להעמיד זאת למבחן במעבדה". 

החוקרים יצאו לדרך עם דפוס פעילות מוחי מוכר ומבוסס: קידוד כיוון הראש בעכברים. הם ניתחו נתונים שפורסמו בעבר במסגרת מחקרים קודמים וגילו כי היחסים בין דפוסי הפעילות של תאי העצב שנמדדו במחקרים אלה יצרו מבנה דמוי טבעת. מבנה זה הצביע על כך שפעילות הרשת העצבית מקודדת משתנה מעגלי – עובדה העולה בקנה אחד עם ממצאים קודמים שהראו כי תאי העצב באיזור זה מקודדים 360 מעלות של תנועות ראש. 

במקרה זה ידעו אמנם החוקרים מה מקודדים תאי העצב, אך גישת הניתוח שלהם יכולה להיות שימושית במצבים שבהם לא ידוע מה מקודדים התאים או כאשר אין קשר בעל משמעות בין הפעילות העצבית להתנהגות, כפי שקורה, למשל, במהלך שינה. החוקרים הדגימו זאת באמצעות ניתוח הנתונים שנמדדו מאותם תאי עצב במהלך שינת REM (השלב בשינה שבו מתרחשת חלימה). גם בנתונים אלה הם זיהו את המבנה דמוי הטבעת שנראה במדידות שבוצעו בזמן שהחיה הייתה ערה ובחנה את סביבתה – רמז אפשרי לתוכן החלומות של העכבר. 

""הצורך בהנחות מוקדמות מגביל את היכולת לחשוף מה תאי עצב באיזור מסוים במוח באמת מקודדים. אם נוכל לזהות דפוסים רק מהתבוננות בפעילות של רשתות עצביות – ייתכן שנוכל לנחש באופן מושכל מה רשתות אלה עושות"

בשלב הבא של המחקר, ביצעו החוקרים דימות של הפעילות העצבית בהיפוקמפוס של עכברים, שאותם אימנו לרוץ הלוך-חזור לאורך מסלול ישר. הם גילו כי הקשר בין דפוסי הפעילות העצבית הוליד מבנה ייחודי, דמוי פרפר, כאשר הוא מצויר בתלת-ממד. זיהוי מצבי רשת ספציפיים בתוך מבנה פנימי זה, אִפשר להם להסיק מה מיקום העכבר על המסלול. יותר מכך, כאשר ניתחו נתונים מימים שונים, שבהם העכבר חקר את המסלול, הם גילו כי המבנה הפנימי היה זהה בכל אותם ימים, אף שתתי-קבוצות שונות של תאי עצב היו פעילות בכל אחד מהם. החוקרים סבורים כי המבנה הפנימי עשוי לשקף רמת ארגון המאפשרת לאחסן מידע באופן יציב, על-אף מה שנראה כפעילות בלתי-יציבה של תאים בודדים. "בנוסף, הבחנו בכך שבעכברים שונים שחקרו את אותו מסלול היה מבנה פנימי דומה. כך יכולנו למעשה להשתמש בנתונים של חיה אחת כדי לפענח את התנהגותה של חיה אחרת", אומר ד"ר רובין. 

לבסוף, השתמשו החוקרים בשיטתם כדי ללמוד על קידוד עצבי בקליפת המוח הקדמית. החוקרים מדדו את הפעילות העצבית בקליפת המוח של עכברים שרצו על המסלולים הישרים, וזיהו מבנה פעילות שהיה שונה מאוד מזה שזיהו עבור אותה התנהגות בהיפוקמפוס. בחינת המבנה שהתגלה העלתה כי תאי העצב קודדו את מיקום העכבר ביחס לתחילתו ולסופו של המסלול, ללא קשר לכיוון הריצה. גילוי משתנה זה, שאותו כינו החוקרים "שלב מסלול", מדגים את יכולתם לחשוף, ללא ידיעה או הנחות מוקדמות, מידע משמעותי ה"מסתתר" בפעילות העצבית. "אנחנו מקווים שגישה זו תאפשר לפענח עקרונות של קידוד עצבי בתחומים שונים של מדעי המוח", אומר ד"ר זיו. "המבנה הפנימי של הפעילות העצבית עשוי לשמש טביעת אצבע של סוג התהליכים החישוביים שמתבצעים באיזור מוח מסוים, ובכך לאפשר לחקור את התפקוד של אזורי מוח שונים ואף לבסס את הגדרתם על-פי סוג החישוב העצבי שהם מממשים – ולא על-פי זהות המשתנה שהם מייצגים".

במחקר השתתפו גם תלמידי המחקר לירון שיינטוך, ניצן גבע, אור פנחסוב, נעה ברנדה-אילת ויואב רכבי.

מספרי מדע

דימות אופטי מאפשר לצלם את הפעילות של יותר מ-1,000 תאי עצב בו-בזמן, ולעקוב אחרי שינויים בדפוסי הפעילות של אותם תאים לאורך שבועות וחודשים. זאת לעומת שיטות מסורתיות שאפשרו לעקוב אחר עשרות תאים לאורך שעות עד ימים ספורים.

שתף

מבנה דמוי פרפר: כל נקודה מייצגת דפוס פעילות של כ-450 תאי עצב בהיפוקמפוס בחלון זמן של 50 אלפיות השנייה. הצבעים מייצגים מצבי רשת הקשורים להתנהגויות שונות (ריצה, שתייה, סיבוב) במיקומים שונים לאורך מסלול הריצה