מדעני מכון ויצמן למדע פיצחו כיצד ה-GPS במוח מייצג תלת-ממד

לפני יותר מעשור התגלתה במוחם של מכרסמים מערכת "GPS מוחי". הגילוי הסעיר את עולם המדע וזיכה את חוקריו בפרס נובל בשנת 2014. ואולם עד כה נחקרה מערכת זו בחיות הנעות על הקרקע. במחקר חדש המתפרסם היום בכתב-העת המדעי Nature, חקרו מדעני מכון ויצמן למדע מערכת זו בעטלפים מעופפים וגילו כי המרחב התלת-ממדי מיוצג במוחותיהם בצורה שונה מהותית מכפי שסברו עד כה. מודל תיאורטי להסברת הממצאים, שפותח בשיתוף חוקרים מהאוניברסיטה העברית בירושלים ומאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, מעלה כי התיאוריות הקלאסיות אודות מערכת ה-GPS המוחית ייאלצו לחשב מסלול מחדש.

עמוק במוח היונקים, ובהם בני-האדם, מסתתר האזור האחראי על יכולתנו להתמצא במרחב. באזור זה, הקרוי הקורטקס האנטורינלי, מצויים תאי הסריג (grid cells), המהווים את מערכת ה-"GPS המוחי". כאשר אנו נעים בחדר, תא סריג מופעל במוחנו בכל פעם שאנו עוברים דרך אחד מכמה אזורים. אזורי הפעילות הללו מסודרים בדוגמת סריג משושים המרצף את הרצפה, כך שכל אזור פעילות מוקף בשישה אזורי פעילות סביבו. הדוגמה הסימטרית והחזרתית שאזורי הפעילות הללו יוצרים על פני רצפת החדר מספקת למוח מעין "נייר מילימטרי" המשמש לחישוב מיקום ומרחק. אזור המוח שבו נמצאים תאי הסריג הינו הראשון להיפגע במחלת האלצהיימר – וייתכן שאי-התמצאות מרחבית, אחד מסימניה הראשוניים של המחלה, היא תוצאה של פגיעה בתאי הסריג ואובדן של סידור הנייר המילימטרי.

מדענים רבים ניסו לפענח את סוד המשושים של תאי הסריג – סידור כה סימטרי וחזרתי מעורר השתאות כשהוא מתגלה בביולוגיה, ותיאוריות רבות נכתבו עליו. מבחינה מתמטית, הדרך המיטבית "לארוז" מעגלים בדו-ממד היא בסידור משושה – בדומה לצורת הסידור של חלת הדבש – ואזורי הפעילות של תאי הסריג הם אכן מעגליים. לפיכך, ציפו החוקרים במעבדתו של פרופ' נחום אולנובסקי במחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן לראות דפוס פעילות דומה גם בתלת-ממד. "שיערנו, כמו חוקרים רבים נוספים, כי כאשר נחקור את הייצוג המוחי של הסביבה התלת-ממדית נחזה בכדורים, במקום במעגלים, המסודרים בפירמידה סימטרית, כמו מגדל תפוזים המוצג לראווה אצל הירקן", מסביר פרופ' אולנובסקי.

בכדי לבחון את השערתם, רשמו המדענים, בהובלת תלמידת המחקר גילי גינוסר יחד עם מדענית הסגל ד"ר ליאורה לס, את הפעילות העצבית של תאי סריג בעטלפים בעודם מתעופפים באופן חופשי בחדר שגודלו כגודל סלון רחב ידיים, כשלראשם מכשיר אלחוטי ממוזער. בכדי לוודא שמסלול התעופה אכן יהיה תלת-ממדי, הציבו החוקרות עמדות האכלה עם רסק בננות האהוב במיוחד על עטלפי פירות, בגבהים שונים ובנקודות שונות בהיקף החדר. כאשר הנתונים החלו לזרום, הן הבחינו שתאי הסריג כלל אינם מתנהגים כמצופה מהם. "סריג המשושים הסדור למשעי המאפיין את ייצוג המשטח בדו-ממד נעלם כלא היה", אומרת גינוסר.

במקום זאת, הסתדרו אזורי הפעילות הכדוריים בגרסתם התלת-ממדית כמו גולות בקופסה, סידור שהינו פחות מאורגן מאשר "פירמידת התפוזים". אמנם הכדורים לא היו מסודרים בסידור גלובלי מושלם, אבל החוקרים מצאו סידור מקומי – מרחק קבוע בין כל כדור לשכניו הקרובים.

כדי לספק הסבר מנגנוני לממצאים אלה חבר צוות המחקר לתיאורטיקנים – ד"ר יונתן אלחדף, לשעבר חוקר בתר-דוקטוריאלי במעבדתו של פרופ' אולנובסקי וכיום חוקר עצמאי באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, והפרופסורים חיים סומפולינסקי ויורם בורק מהאוניברסיטה העברית בירושלים. ביחד הם הרכיבו מודל תיאורטי הנשען על עקרונות מעולם הפיסיקה הסטטיסטית המשמשים לתיאור יחסי הגומלין בין חלקיקים. המודל התיאורטי חשף כי אזורי הפעילות הכדוריים המייצגים את פעילותם של תאי הסריג בתלת-ממד, מתנהגים בדומה לחלקיקים – אזורי הפעילות "נמשכים" האחד לשני ככל שהם מתקרבים זה לזה, אבל "נדחים" כאשר הם מתקרבים יותר מדי; מאזן כוחות זה יכול להסביר את הימצאותו של סדר מקומי השומר על אזורי הפעילות הכדוריים במרחק לוקאלי קבוע, ללא ארגון גלובלי סדור.

הממצאים הניסיוניים המפתיעים, לצד המודל התיאורטי, מציעים לנו דרך חדשה לבחון את הבסיס העצבי לניווט בתלת-ממד ואת התפקיד שיש לתאי הסריג בתהליך קוגניטיבי זה. בעוד שמודלים קודמים הניחו שהייצוג של תאי סריג בתלת-ממד מחקה את הייצוג הדו-ממדי, עבודתם של פרופ' אולנובסקי ושותפיו ומודל "הגולות בקופסה" שפיתחו, מעידים על מציאות מורכבת בהרבה. בהינתן שהמרחב התלת-ממדי אינו מיוצג על-ידי סריג סדור, נראה כי התיאוריות הקלאסיות אודות מערכת ה-GPS המוחית ביונקים צפויות לעבור בחינה מחדש.

סדר מקומי ואי-סדר גלובלי. מחקרים קודמים חשפו כי ייצוג המרחב הדו-ממדי במוח ניחן בסדר גלובלי ולוקאלי – וזו הייתה ההשערה גם לגבי המרחב התלת-ממדי. במחקר החדש נחשף כי סריג המשושים המושלם נעלם כלא היה וייצוג המרחב התלת-ממדי ניחן בסדר מקומי בלבד