מתי המוח שואף חמצן?

01.06.1996
 
שואף חמצן
 
 
 
 
מה בדיוק קורה במוחו של אדם שעוצם את עיניו ונזכר במראהו של מגדל אייפל לכל פרטיו? מנין שואבים תאי העצב את האנרגיה הדרושה להם לצורך הפעלת התקשורת העצבית החשמלית שבמקרה זה משמעותה הרצה מחודשת של תמונת-הזיכרון של מגדל אייפל?
 
מדענים שמבקשים לענות על השאלה הזאת חוקרים וממפים את המוח הפועל באמצעות מערכות שונות לדימות תפקודי. מדובר במערכות שמתבססות בעיקר על "הנחת עבודה" שהוצעה לפני כמאה שנים על ידי הלורד צ'ארלס שרינגטון, בדבר קיומו של קשר בין הפעילות החשמלית של המוח לבין שינויים במחזור הדם. לדוגמה: סורק פוזיטרוני (PET) שמאפשר - בין היתר - מעקב אחר קצב הזרימה של הדם בנימים העדינים המתפתלים בין תאי העצב במוח; ממפה תפקודים שמבוסס על קריאת תהודה מגנטית גרעינית (MRI), העוקב אחר שינויים בכמות החמצן הקשור להמוגלובין שבתאי הדם האדומים; ומערכת למיפוי מוח באמצעות דימות אופטי, שפיתח הפרופ' עמירם גרינולד ממכון ויצמן למדע. מערכת הדימות האופטי מזהה את המקום והזמן שבהם תא העצב "שואף" חמצן מזרם הדם.
 
אבל האם "הנחת העבודה" הזאת נכונה? האם באמת אפשר לעקוב אחר המקום שבו מתחוללת הפעילות החשמלית של תאי העצב במוח באמצעות מיפוי שינויים במחזור הדם? כיצד בדיוק פועל הקשר הקיים בין הפעילות החשמלית של המוח לבין השינויים במחזור הדם? התשובות לשאלות אלה ניתנו במחקר שביצעו באחרונה תלמיד המחקר דב מלונק והפרופ' עמירם גרינולד במכון ויצמן למדע ברחובות. ממצאי מחקרם פורסמו באחרונה בכתב העת המדעי היוקרתי "מדע" ("סיינס"), של הארגון האמריקאי לקידום המדע.
 
מחקרם של מלונק וגרינולד בוצע באמצעות מערכת למיפוי מוח באמצעות דימות אופטי שניחנה בכושר הפרדה במרחב / זמן, העולה לאין שיעור על כושר ההפרדה של הסורק הפוזיטרוני (PET) ושל מערכת המיפוי התפקודי המבוססת על קריאת תהודה מגנטית גרעינית (MRI). החוקרים הישוו את ממצאי המיפוי שבוצע במערכת הדימות האופטי, לנתונים שהתקבלו ממיפוי פעילות חשמלית, ומצאו כי שינויים כלליים במחזור הדם אינם מתאימים במדוייק לפעילות החשמלית של תאי העצב במוח - לא במיקום, ולא בזמן.
 
בשלב זה צילמו החוקרים את המוח הפועל באורכי גל (צבעי אור) שונים, דבר שאיפשר - באמצעות פיתוח חדשני של דב מלונק - לזהות תהליכים שונים שמתחוללים במחזור הדם בעת פעילות המוח. כך התברר שכעשירית שנייה לאחר שתא עצב מעביר אות חשמלי, משנים תאי הדם האדומים הנעים בנימים שבסביבתו, את צבעם. שינוי הצבע נובע מהעברת חמצן (המשמש להפקת אנרגיה) מתאי הדם האדומים, אל תאי העצב. רק כשלוש שניות לאחר מכן מתחוללת האצה של מחזור הדם, שנועדה לספק אנרגיה נוספת לתאי העצב הפעילים. תופעה זו מקיפה אזור גדול בהרבה מהאזור שבו מצויים תאי העצב שהעבירו אותות חשמליים.
 
במלים אחרות, האצת זרימת הדם היא תופעה מאוחרת יחסית, שמתחוללת באזור גדול יחסית שמשתרע הרבה מעבר לאזור שבו התחוללה הפעילות העצבית החשמלית. הדבר דומה לממטרה שמשקה את כל הגינה, רק כדי לספק מים לערוגה קטנה ומוגדרת של צמחים שזה עתה החלו לפרוח.
 
מכיוון שנראה בבירור שההאצה במחזור הדם אינה חופפת את הפעילות החשמלית של תאי העצב, אין מנוס מהמסקנה שמיפוי שייתבסס על התופעה הזאת (האצת מחזור הדם) יהיה מיפוי גס ובלתי מדוייק, הן באשר למיקום הפעילות, והן באשר לזמן התחוללותה. היות שמיפויי מוח שמבוצעים בסורקים פוזיטרוניים (PET), או בממפי תהודה מגנטית גרעינית (MRI) מבוססים בעיקר על השינויים בקצב זרימת הדם, ברור שהם מחטיאים במידת מה את המטרה (שהיא עיקוב מדוייק אחר הפעילות החשמלית של המוח).
 
ממצאים אלה עתידים לתרום לשיפור דיוק המיפוי שמבוצע בממפי תהודה מגנטית גרעינית (MRI). הם גם עשויים לשמש בסיס לפירוש חדש ושונה של הממצאים שמתקבלים במחקרי מוח שמתבססים על סורקים פוזיטרוניים ומתקני תהודה מגנטית-גרעינית. מכיוון ששתי המערכות האלה משמשות כיום למיפוי מוח בלתי חודרני בבני אדם, אפשר להניח שהשיפורים שיתבססו על מחקרם של מלונק וגרינולד עשויים להאיץ ולייעל במידה ניכרת את חקר המוח האנושי כבר בעתיד הקרוב.
 
מחקרם של דב מלונק ושל הפרופ' עמירם גרינולד שאיפשר הבנה טובה יותר של הקשר בין הפעילות החשמלית של המוח לבין צריכת החמצן של תאי העצב, הכריע למעשה בשאלה שהעסיקה חוקרי מוח רבים, בכל העולם במשך שנים רבות: שאלת המקור שממנו שואבים תאי העצב את האנרגיה הדרושה להם לצורך קיום התקשורת החשמלית ביניהם. בעבר הועלתה בעניין הזה השערה שלפיה תאי העצב מנצלים לצורך פעילותם בעיקר אנרגיה שמופקת בתהליכי חילוף חומרים שאינם מבוססים ישירות על חמצן. אבל מלונק וגרינולד הראו בבירור כי תאי העצב מגבירים את צריכת החמצן שלהם, בד בבד עם הגברת פעילותם החשמלית. לפיכך צריכת החמצן - שאחריה עוקבת מערכת הדימות האופטי - יכולה להעיד במדוייק על המקום שבו התחוללה במוח פעילות חשמלית.
 
מעבר לשיפורים במיפוי המוח, עשוי המחקר הזה לקדם את האפשרות להתגבר על הפרעות בזרימת הדם אל המוח, הגורמות למיגרנה, וכן על הרס תאי המוח המתחולל כתוצאה משבץ מוחי.
 

קריאה נקודתית

שטחה של יחידת הפעילות העצבית במוח הוא 0.04 מילימטר רבוע, והיא מכילה כ - 5,000 עד 10,000 תאי עצב.
 
סורק פוזיטרוני (PET) מבחין ביחידות ששטחן עשרים וחמישה (25) מילימטרים ובועים ויותר (כלומר, כל קריאה "נקודתית" של המערכת הזאת מתייחסת למעשה ל- 625 יחידות פעולה עצביות, לפחות).
 
ממפה תפקודי שמבוסס על קריאת תהודה מגנטית גרעינית (MRI) מבחין ביחידות ששטחן ארבעה עד עשרים חמישה (4 - 25) מילימטרים רבועים. (כלומר, כל קריאה "נקודתית" של המערכת הזאת מתייחסת למעשה למאה יחידות פעולה עצביות, לפחות).
 
מערכת הדימות האופטי שפותחה על ידי הפרופ' עמירם גרינולד מהמכון, מבחינה ביחידות ששטחן 0.0025 מילימטר רבוע.
 
כלומר, קריאה נקודתית של המערכת הזאת אכן מאפשרת מיפוי ברמה של יחידת פעילות עצבית אחת ויחידה.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם