צופן עצבי חדש לניווט במרחבים גדולים נחשף ב"מנהרת עטלפים" במכון ויצמן
נהוג לדמות את המוח למחשב – תאי העצב המאורגנים במעגלים חשמליים סבוכים הם החומרה, בעוד התוכנה היא מגוון רחב של צפנים עצביים השולטים בפעילות של תאי העצב. עם זאת, לעיתים נדמה שהמוח מבצע בהצלחה משימות שהחומרה שלו לכאורה אינה מתאימה עבורן. למשל, היכולת שלנו ושל יונקים אחרים לנווט במרחבים גדולים מפתיעה לנוכח העובדה שהחומרה של התפיסה המרחבית מתאימה לכאורה לייצוג מרחבים קטנים בהרבה. מדעני מכון ויצמן למדע ניגשו לפתור תעלומה זו באמצעות חשיבה מחוץ לקופסא הניסויית: שילוב בין חיות מודל בלתי-שגרתיות – עטלפי פירות – למערכת ניסויית בלתי-שגרתית אף היא – מנהרת עטלפים באורך 200 מטרים. ממצאיהם המתפרסמים היום בהרחבה בכתב-העת המדעי Science, חושפים צופן עצבי חדש לקידוד של תפיסה מרחבית.
"עטלפים ויונקים אחרים נדרשים לנווט מרחקים גדולים מאוד בטבע. בלילה אחד עטלף בודד יכול לגמוא מרחק של כ-20 ק"מ – זה הבדל משמעותי מאוד מקופסאות המטר-על-מטר שאנחנו רגילים לערוך בהן ניסויים של תפיסה מרחבית", אומר פרופ' נחום אולנובסקי מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן. צוות המחקר בהובלתו הבין שכדי לתאר נאמנה התנהגות טבעית של יונקים, צריך ללכת בגדול – שינוי בסדר הגודל של המרחב, הם שיערו, יבוא לידי ביטוי בפעילות עצבית שונה מזו שנחשפה עד כה.
בכדי להעמיד את השערתם למבחן, יזם פרופ' אולנובסקי את הקמתה של מנהרת עטלפים ראשונה מסוגה בעולם: מבנה אטום, דמוי חממה, באורך של 200 מטרים, שנבנה בשטח המכון. "200 מטרים הם אמנם לא בדיוק 20 ק"מ, אבל זה הרבה יותר קרוב לסביבה טבעית מאשר מערכי הניסוי המקובלים", מסביר פרופ' אולנובסקי. בכדי לעקוב אחר הפעילות העצבית של העטלפים תוך כדי תעופה, פיתחו החוקרים מעין "רשם עצבי" אלחוטי זעיר שהונח על ראשיהם ותיעד את הפעילות העצבית בהיפוקמפוס – האזור במוח האחראי, בין היתר, על קידוד תפיסת המרחב הפיסי. בנוסף, הציבו החוקרים מערך אנטנות עם יכולות איכון מדויקות ביותר – מדויקות יותר ממערכות GPS – בכדי שיוכלו לדעת היכן בדיוק נמצאים העטלפים בכל רגע. שילוב של שלושת אלה – מרחב גדול לנווט בו, מכשיר קומפקטי למדידת פעילות עצבית ומערך איכון מדויק במיוחד – אפשר לחוקרים להתחקות לראשונה אחר הפעילות המוחית של נבדקיהם המעופפים בסביבה המדמה בצורה טובה יותר את התנהגותם הטבעית.
• זאת ההזדמנות שלך! נסדר לך קריירה ונלווה אותך להצלחה - לפרטים נוספים לחצו כאן
המחקר – בהובלת תלמידי הדוקטורט תמיר אליאב ושיר מימון ובשיתוף עם מדענית הסגל ד"ר ליאורה לס – רואה אור בעיתוי סמלי: לפני 50 שנה גילה ג'ון א'וקיף את "תאי המיקום" (place cells); תגלית אשר זיכתה אותו בפרס הנובל לרפואה או פיסיולוגיה לשנת 2014. תאי מיקום הינם תאים ייעודים בהיפוקמפוס שמופעלים כאשר אנו נמצאים בנקודה מסוימת במרחב, ומהווים למעשה מעין מפה קוגניטיבית של סביבתנו. חשוב לציין שתגליותיהם של א'וקיף ואחרים התבססו על ניסויים במכרסמים בסביבה מוגבלת מאוד שאינה קרובה לסביבתם הטבעית. אם כל תא מיקום אכן מייצג נקודה במרחב, אזי עטלפים היו נדרשים למספר עצום של תאי עצב, בין 1013-1015, בכדי לייצג בהצלחה את מרחב הניווט רב-הקילומטרים שלהם בטבע. אולם, לעטלפים ישנם כ-105 תאי עצב בהיפוקמפוס בלבד – ובכל זאת הם מנווטים מסלולים מורכבים וארוכים מדי לילה.
כעת, הודות למערך הניסויי החדשני, פתרו החוקרים את התעלומה: כאשר עטלפים מנווטים בסביבה גדולה, תאי המיקום שלהם משנים את התנהגותם באופן ניכר בהשוואה למודל המסורתי. ראשית, במקום לייצג שדה מיקום אחד – קרי, אזור אחד במרחב – התגלה כי תאי מיקום יכולים לייצג כמה וכמה אזורים. לא זאת בלבד, גם הגודל או קנה המידה של כל אזור שאותו מייצג תא המיקום יכול להשתנות, לפעמים עד כדי הבדל של פי 20. במלים אחרות כל תא עצב יכול להיות מופעל על-ידי כמה מיקומים שונים במרחב, כאשר כל מיקום יכול להיות בעל רזולוציה שונה ממשנהו באופן משמעותי. באמצעות קידוד בלתי-שגרתי מסוג זה מצליחים העטלפים להתגבר על מגבלות החומרה כביכול ולנווט בהצלחה במרחב.
בכדי להבין טוב יותר את ממצאיהם ממנהרת העטלפים, השוו החוקרים באמצעות מודלים ממוחשבים בין הצופן העצבי שגילו לבין המודל המסורתי. בהשוואה שנערכה על ידי פרופ' מישה צודיקס מהמחלקה לנוירוביולוגיה, וד"ר יונתן אלחדף, בעבר חוקר במעבדתו של פרופ' אולנובסקי וכיום חבר סגל באוניברסיטה של קליפורניה בסן-דייגו, התגלה כי אף שאין יתרון משמעותי לצופן העצבי החדש בסביבות קטנות, הוא יעיל ומדויק בהרבה כאשר מדובר בסביבות גדולות. ניתוח נתונים נוסף שערכה גילי גינוסר, תלמידת דוקטורט במעבדתו של פרופ' אולנובסקי, תרם להבנה מדוע הצופן העצבי החדש לא התגלה עד כה ומדוע הוא מופיע בסביבות גדולות, אך לא בסביבות קטנות.
"מודלים תיאורטיים נוספים שיצרנו סיפקו הסבר מכניסטי אפשרי גם לגבי האופן שבו נוצר צופן זה בהיפוקמפוס", אומר פרופ' אולנובסקי. "אנו מאמינים כי ממצאים אלה תקפים גם למיני יונקים אחרים המנווטים בסביבות גדולות, ובהם בני-אדם".
