סימפוניה לשפם ולתאי עצב

עכברים, בהיותם חבויים לרוב במחילות אפלוליות עם ראות מוגבלת, נוהגים לחכך שפמיהם בעצמים כדי לנווט ולחוש את סביבתם. התנהגות זו נחקרה לעומק בעשורים האחרונים כפעולה מובהקת של חוש המגע או המישוש אבל מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע המתפרסם בכתב העת-המדעי Current Biology מציע שינוי תפיסתי מרעיש: מגע שפמי העכברים בעצמים מייצר גם צלילים דקים הנקלטים באזורים השמיעתיים של המוח, ותורם לתפיסה חושית מורכבת ורב-ממדית.

"השפמים האלה עדינים כל-כך, שאיש לא העלה בדעתו לבדוק אם הם מפיקים רעשים שהעכברים מסוגלים לשמוע", אומר פרופ' אילן למפל מהמחלקה למדעי המוח במכון שעמד בראש צוות המחקר. מעבר לחידוש מסמר השיער, המחקר מציג זווית חדשה על מורכבותה של התפיסה הטבעית. בניגוד לספרי הלימוד, ההפרדה החדה והברורה בין החושים אינה מתקיימת בהכרח במציאות, ותפיסה חושית משלבת לרוב בין מקורות שונים – במקרה זה, שמיעה ומישוש – ולא רק בעכברים. גם אנחנו משלבים בין שני חושים אלה לעיתים קרובות מכפי שנדמה לנו; דמיינו למשל יד הנשלחת לגשש בתיק עמוס ואת שביעות הרצון עם הישמע הרשרוש המיוחל של שקית הבמבה שחיפשתם.

כדי לחשוף את עולם הצלילים הנסתר של השפמים, נדרש תחילה צוות המחקר ממעבדתו של פרופ' למפל להקליט את הרעשים הנוצרים כתוצאה מהזזתם המהירה של שפמי העכברים כנגד משטחים שונים, כמו נייר אלומיניום או עלי בוגנוויליה יבשים. החוקרים – בהובלת ד"ר בן עפרון, ובשיתוף ד"ר אתנסיוס נטלזוס וד"ר יונתן כץ –  עשו זאת בעזרת מכשירי הקלטה רגישים המסוגלים ללכוד צלילים אולטראסוניים, כלומר כאלה המצויים מחוץ לטווח השמיעה של בני-אדם, אשר הוצבו במרחק של כ-2 ס"מ ממקור הצליל, בדומה למרחק מקצות זיפי השפם לאוזן העכבר.

""השפמים האלה עדינים כל-כך, שאיש לא העלה בדעתו לבדוק אם הם מפיקים רעשים שהעכברים מסוגלים לשמוע"

בשלב הבא, ביצעו החוקרים הקלטות מסוג שונה לגמרי: הם מדדו את הפעילות העצבית במערכת השמיעה של העכברים בעודם ממששים עצמים שונים באמצעות שפמיהם. הנתונים שנמדדו העידו על כך שמערכת השמיעה מגיבה לצלילים אלה, דקים ככל שיהיו. למעשה, קליפת המוח השמיעתית הגיבה לרעשים שהפיקו השפמים גם כאשר נחסמו המסלולים העצביים האחראים לתחושת המגע – עובדה המצביעה על כך שהעכברים מסוגלים לעבד את המידע הקולי כקלט חושי נפרד ועצמאי ולא רק כתוצר לוואי של חוש המגע.

אבל עצם העובדה שמערכת העצבים של העכברים מגיבה לרעשים, אין משמעותה בהכרח שהעכברים משתמשים ברעשים אלה לחישה ומסוגלים להבדיל באמצעותם בין עצמים שונים. כדי לבדוק היבט זה נעזרו החוקרים בבינה מלאכותית: הם אימנו תחילה מודל של למידת מכונה כך שיוכל לזהות עצמים שונים על בסיס נתוני הפעילות העצבית שהוקלטה מקליפת המוח השמיעתית של העכברים. המודל עמד במשימה והצליח לזהות עצמים על בסיס הפעילות העצבית לבדה – לכאורה ראייה התומכת בכך שגם מוחותיהם של העכברים עשויים להיות מסוגלים לפרש אותות עצביים אלה. בהמשך אימנו החוקרים מודל של למידת מכונה כך שיוכל לזהות עצמים שונים על בסיס הקלטות הרעשים שיצרו השפמים במגע עמם. החוקרים הראו ששני המודלים, זה המבוסס על הקלטת הפעילות העצבית בלבד וזה שמבוסס על הקלטת הרעשים עצמם, הפגינו ביצועים כמעט זהים. ממצא זה מרמז שהתגובות העצביות נגרמו ישירות מהרעשים ולא כתוצאה מאינפורמציה חושית אחרת, למשל הריח של העצמים.

הממצאים עד לנקודה זו הובילו לשאלה המרכזית במחקר: האם עכברים מסוגלים לזהות עצמים על סמך רעשי המישוש של שפמיהם? כדי לענות על השאלה ערכו החוקרים ניסוי התנהגותי: הם אימנו עכברים שחוש המגע שלהם נוטרל, לזהות נייר אלומיניום אך ורק באמצעות הצלילים הנוצרים כתוצאה ממגע שפמיהם בנייר. החוקרים הראו כי העכברים הצליחו להגיב לצלילים באופן עקבי וליצור קישור בין הרעשים לבין המידע התפיסתי שהם מייצגים.

"התוצאות מעידות על כך ששפמי העכברים הם מערכת חישה אינטגרטיבית ורב-חושית. ייתכן שהיא התפתחה כך לאורך האבולוציה כדי לסייע לעכברים לאתר מזון או להישמר מפני טורפים", אומר פרופ' למפל. "עכבר המנווט בסביבתו וחושש שתנשמת תאתר אותו על סמך רחש הליכתו עשוי להיעזר במידע הקולי שמפיק השפם – שהינו חלש בהרבה מרחש ההליכה – כשהוא נדרש לבחור בין מעבר בשדה קוצים יבש או בכר דשא רך. לחילופין, השפם יכול לסייע לו בהחלטה אם לנגוס בגבעול בניסיון להבין אם הוא חלול או מלא עסיס".

מעבר לתובנות חדשות על עכברים, המחקר פותח פתח למגוון כיווני מחקר מתקדמים בתחום האינטגרציה החושית של המוח והמנגנונים העצביים העומדים בבסיס עיבוד מידע חושי ממקורות שונים. לממצאים עשויות להיות גם השלכות יישומיות נרחבות: אם המוח מעבד מידע תחושתי ממקורות שונים במקביל, ניתן ליישם עקרונות אלה בהנדסה של תותבות להחלפת איברים שנפגעו, בשיקום חושי לאחר פגיעות מוחיות, או בשיפור יכולות התפיסה של כבדי ראייה; כבר כיום משתמשים עיוורים במקל הנחיה שלהם כדי להפיק צלילים שונים ולזהות משטחים בסביבתם וניתן לפתח גישה זו עוד יותר.

״שילוב בין סוגים שונים של קלט חושי הוא אתגר מרכזי בתכנון מערכות רובוטיות", אומר ד"ר עפרון. "מערכת החישה באמצעות שפם עשויה לשמש השראה לפיתוח טכנולוגיות שייתנו מענה לאתגר זה – למשל, הנדסת מערכות להתראה מוקדמת שיסייעו בניווט ובמניעת התנגשויות במצבים שבהם הראות מוגבלת, למשל בעקבות עשן סמיך או הפרעות אחרות בשדה הראייה".