מסלולים עקמומיים

 

מה הקשר בין תנועות פיסיות לדרך שבה אנו תופסים תנועה באופן חזותי?

 

כמו שבני-אדם מצייתים לחוקים שונים המונחים בבסיס החברה האנושית, גם התנועה של איברים שונים בגוף האדם מצייתת לחוקים ביולוגיים קבועים. כבר במאה ה19- היה ידוע שתנועות גפיים ופעולות כמו כתיבה בעט או בעיפרון כפופות לחוק מיוחד, המתאר יחס קבוע בין עקמומיות מסלול התנועה לבין המהירות הזוויתית של היד שמבצעת את התנועה. חוק זה, הקרוי "חוק השני-שלישים", קובע שגודל המהירות הזוויתית של תנועת היד, למשל, משתנה באופן יחסי לגודל עקמומיות המסלול בחזקת שני-שלישים. במילים אחרות, ככל שמסלול התנועה עקמומי יותר, מואטת המהירות שבה מבוצעת התנועה. סברה שרווחה עד לא מכבר ייחסה את החוק הזה לתוצר לוואי של אופן פעולת השרירים. אבל מחקר שבוצע באחרונה במכון ויצמן למדע הראה, שהחוק לא רק מאפיין את אופן הביצוע של תנועות פיסיות, אלא גם משפיע על הדרך שבה אנו תופסים באופן חזותי את תנועתם של אובייקטים נעים (חפצים, או נקודות אור).

 

תופעה זו התגלתה במחקרים שבהם התבקשו נבדקים לצפות בנקודה שנעה על מרקע מחשב במסלול אליפטי לפי אחד משלושה תסריטים שונים: בתסריט הראשון הנקודה נעה במסלול האליפטי במהירות קבועה. בתסריט השני היא מאיצה את  מהירותה בקטעים הפחות עקמומיים ומאיטה כשהיא נכנסת ל"קודקודי" האליפסה שבהם המסלול עקמומי יותר. בתסריט השלישי הנקודה מאיטה בקטעים הפחות עקמומיים ומאיצה בסיבובים החדים. החוקרים מצאו, שהתנועה שנראתה לעין כ"אחידה וחלקה" היא זו שבוצעה על-פי התסריט השני: היא מאיצה בקטעי המסלול הפחות עקמומיים, ומאיטה בסיבובים החדים - ממש לפי חוק התנועה שחל על פעולות ידיים פיסיות.

 

הגילוי שאותו חוק חל הן על תנועות ידיים והן על מעקב חזותי הוביל מדענים רבים לחפש את שורש התופעה במוח, אבל עד כה היו העדויות שתמכו בתפיסה זו חלקיות בלבד. כאן נכנסו לתמונה פרופ' תמר פלש ותלמיד המחקר ערן דיין, מהמחלקה למדעי המחשב ולמתימטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, שעבדו בשיתוף פעולה עם ד"ר אנטונינו קסילה וד"ר מרטין גיזה ממכון הרטי למחקר קליני של המוח בטובינגן שבגרמניה, ועם ד"ר נאוה לויט-בן נון מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, וד"ר תלמה הנדלר מהמרכז הרפואי על-שם סוראסקי, בתל אביב. חברי צוות המחקר הצליחו, לראשונה, לזהות אזורים מוגדרים במוח שמופעלים באופן  ייחודי בתגובה לתנועה שכפופה לחוק התנועה במסלולים עקמומיים. ממצא זה מראה כי "חוק השני שלישים", המתבטא הן בביצוע תנועות פיסיות והן בתפיסה חזותית של תנועה במסלולים עקמומיים, נובע ממנגנונים עצביים הפועלים במוח, ואינו רק תוצר לוואי של פעילות השרירים, כפי שסברו בעבר. המדענים מניחים, כי מנגנונים אלה משפיעים בין השאר על האופן שבו אנו מתכננים מראש תנועות מוטוריות. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה למדעים של ארה"ב" (PNAS).

 

המדענים השתמשו בדימות תיפקודי מוח בתהודה מגנטית, fMRI, מערכת המאפשרת מעקב אחר פעולותיו של מוח הנבדק בזמן כמעט אמיתי. הם שינו את ניסוי האליפסות, כך שהמתנדבים שהיו נתונים בתוך מערכת ה-fMRI התבקשו לצפות בענן נקודות שנעו במסלול אליפטי לפי התסריטים של הניסוי הקודם. כדי לוודא שממצאי הניסוי אינם נובעים מהבדלים בתנועות העיניים, התבקשו הנבדקים להימנע ממעקב פעיל אחר תנועת ענן הנקודות. בחלק מתנאי הניסוי אף נוטרו תנועות עיניהם באמצעות מיכשור מיוחד. באמצעות מעקב אחר המתחולל במוחם של הנבדקים כשהם מבצעים את המטלה הזאת, הצליחו המדענים למפות את אזורי המוח שהיו פעילים בזמן ביצוע המטלה. כך התברר, שהאזורים המעורבים בעיבוד חוק התנועה במסלולים עקמומיים בעת פעילות חזותית (מעקב אחר נקודות נעות על מרקע מחשב), הם אותם אזורים הממלאים תפקיד בתכנון וביצוע של תנועות מוטוריות.

 

מדוע המוח מעדיף את עקרון הפעולה שקושר עלייה בעקמומיות המסלול עם האטה של התנועה הזוויתית? ברור שבדרך זו המוח מצליח להפיק תנועה חלקה ככל האפשר בנסיבות העניין, תוך הפחתה של קצב שינוי התאוצה עד למינימום. אבל, בנוסף לזאת, פרופ' פלש ושותפיה למחקר מציעים, בעקבות ממצאי מחקרם, הסבר נוסף הקושר את התופעה לתכונות גיאומטריות בסיסיות. "באמצעות ניתוחים מתימטיים וגיאומטריים אנו מציעים, שאזורים שונים במוח, האחראיים לתכנון ולביצוע של תנועה בקטעי מסלול שונים, עושים שימוש בגיאומטריות שונות. הבדלים אלה אחראים לשוני בתגובה שלנו (הן בראייה והן בתנועה) לקטעי מסלולים בעלי עקמומיות שונה. ההתאמה הזאת בין תפיסה (ראייה) לבין תנועה, עשויה להיות מרכיב חשוב בהבנת הפעולות של אנשים אחרים, ובלימוד כישורים חדשים באמצעות חיקוי".