‫העידן החדש של המוח / רפאל יוסט וג’ורג’ מ’ צ’רץ’‬

פרויקטים של “מדע גדול” סוללים את הדרך להבנת האופן שבו המכונה המורכבת ביותר בעולם מייצרת את המחשבות ואת הרגשות שלנו

גם לאחר מאה שנים של מחקר מתמשך, חוקרי מוח עדיין אינם מבינים את מנגנוני הפעולה של האיבר שהוא מרכז התודעה האנושית ומשקלו כ-1.4 קילוגרם. רבים ניסו לתקוף את הבעיה באמצעות חקר מערכת העצבים של יצורים פשוטים יותר. למעשה, חלפו כמעט 30 שנה מן היום שבו מיפו חוקרים את הקשרים בין כל 302 תאי העצב של התולעת העגולה Caenorhabditis elegans. ואולם, תרשים החיווט של התולעת לא סייע להבין אפילו כיצד הקשרים העצביים מייצרים תבניות התנהגות בסיסיות כמו אכילה ומין. חסרו נתונים שקישרו בין פעילות תאי העצב ובין התנהגות נתונה.

בבני אדם קשה אף יותר לקשר בין ביולוגיה להתנהגות. כלי התקשורת מדווחים כדרך שגרה על סריקות המראות שאזורים מסוימים במוח מופעלים כשאנחנו חשים דחויים או מדברים בשפה זרה. הכתבות האלה יוצרות את הרושם שהטכנולוגיה המצויה כיום מספקת תובנות בסיסיות על מנגנון הפעולה של המוח, אך הרושם הזה מוטעה.

דוגמה ראויה לציון לרושם מוטעה זה היא מחקר שזכה לפרסום רב כשזיהה תאי מוח יחידים שיורים אותות חשמליים בתגובה לפניה של השחקנית ג’ניפר אניסטון. על אף הרעש התקשורתי, מציאת “נוירון ג’ניפר אניסטון” דומה לקבלת מסר מחייזרים, אות לכך שיש חיים תבוניים ביקום אך בלי יכולת להבין את משמעות המסר. אנו רחוקים מלהבין כיצד האותות החשמליים שמייצר אותו תא משפיעים על יכולתנו לזהות את פניה של ג’ניפר אניסטון ולייחס אותם לקטע מתכנית הטלוויזיה “חברים”. כדי שהמוח יזהה את הכוכבת, הוא צריך מן הסתם להפעיל קבוצה גדולה של תאי עצב, שכולם מדברים בקוד עצבי שאותו עדיין איננו מבינים.

נוירון ג’ניפר אניסטון גם מדגים את הצטלבות הדרכים שאליה הגיע מדע הנוירוביולוגיה. יש בידינו כבר שיטות לרישום הפעילות החשמלית של תאי עצב יחידים בבני אדם חיים. אך כדי להתקדם התקדמות של ממש, נדרשת בתחום סדרה חדשה של טכנולוגיות שיאפשרו לחוקרים לעקוב אחר הפעילות החשמלית של אלפים או אף מיליונים של תאי עצב, וגם לשנות אותה באופן מכוון. שיטות כאלה יאפשרו לנו לפלס דרך במה שכינה החוקר הספרדי סנטיאגו רמון אי קחל, חלוץ תחום הנוירואנטומיה, “הג’ונגל הבלתי עביר שבו חוקרים רבים הלכו לאיבוד.”

שיטות פורצות דרך כאלה יוכלו, באופן עקרוני, להתחיל לגשר על הפער בין פעילות תאי עצב ובין תודעה: חישה, רגש, קבלת החלטות ובסופו של דבר ההכרה עצמה. פענוח התבניות המדויקות של פעילות מוחית העומדות בבסיס החשיבה וההתנהגות יספק גם תובנות חיוניות על המתרחש כשמעגלים עצביים משתבשים במחלות פסיכיאטריות או נוירולוגיות כמו סכיזופרניה, אוטיזם, אלצהיימר ופרקינסון.

הצורך בקפיצה טכנולוגית בחקר המוח מורגש גם מחוץ למעבדה. ואכן, ממשל אובמה הכריז ב-2013 שהוא מכונן יוזמה רחבת היקף, המכונה BRAIN (מוח), לקידום שיטות מתקדמות בנוירוביולוגיה. זהו המיזם המדעי המתוקשר הגדול ביותר בתקופת כהונתו השנייה של הנשיא.

מיזם מוח, שזכה למימון התחלתי של 100 מיליון דולר ב-2014, מתמקד בפיתוח שיטות לרישום אותות חשמליים ממספר גדול בהרבה של תאי מוח, ואפילו מאזורים שלמים במוח. מיזם מוח משלים מיזמים גדולים אחרים בתחום הנוירוביולוגיה מחוץ לארה”ב. פרויקט המוח האנושי (HBP), שממומן בידי האיחוד האירופי, מתוכנן ל-10 שנים בעלות של 1.6 מיליארד דולר ומטרתו לפתח הדמיית מחשב של המוח כולו. מיזמי נוירוביולוגיה שאפתניים הושקו גם בסין, ביפן ובישראל. תמימות הדעים הבין-לאומית בצורך להשקיע במדעי המוח מזכירה יוזמות אחרות שהתמקדו בתחומי מדע וטכנולוגיה בעלי חשיבות לאומית לאחר מלחמת העולם השנייה: אנרגיה גרעינית, נשק אטומי, חקר החלל, מחשבים, מקורות אנרגיה חלופיים, ופענוח רצף הגנום האנושי. עכשיו החל עידן המוח.

בעיית מסך הטלוויזיה

כיום אי אפשר לעקוב אחר האופן שבו תאי מוח מעבדים את המושג “ג’ניפר אניסטון”, או כל מושג דומה שאנו נתקלים בו במהלך התנסות או תפיסה סובייקטיביות של העולם החיצון. כדי לעשות כן יש צורך לעבור ממדידת תא עצב אחד להבנת הקשרים המורכבים בין צברים של תאים כאלה, קשרים המייצרים שלם הגדול מסך חלקיו, מה שמדענים מכנים תכונה מגיחה (emergent property). תכונות כמו טמפרטורה, מידת המוצקות של חומר נתון או המצב המגנטי של מתכת, למשל, מגיחים רק לאחר שנוצרים קשרים בין המוני מולקולות או אטומים. קחו למשל אטומי פחמן. כל אטום יכול ליצור קשרים כימיים שונים שיקנו לחומר קשיות של יהלום או רכות של גרפיט, המתקלפת בקלות רבה כל כך עד שהיא יכולה ליצור מילים על גבי נייר. בין שמדובר בקשיות ובין שמדובר ברכות, התכונות המגיחות האלה אינן תלויות באטום היחיד אלא בסדרת אינטראקציות בין אטומים.

גם במוח יש, מן הסתם, תכונות מגיחות שאי אפשר להבינן כלל בהתבוננות בתא עצב יחיד או אפילו באמצעות תמונה ברזולוציה נמוכה של פעילות קבוצות גדולות של תאי עצב. אפשר להבדיל בין תפיסת המושג “פרח” לבין שחזור זיכרון ילדות רק באמצעות מעקב אחר הפעילות של מעגלים עצביים המעבירים אותות חשמליים לאורך סדרות מורכבות של מאות או אלפי תאי עצב. אף שחוקרי המוח מודעים לאתגרים האלה כבר שנים רבות, עדיין אין בידיהם הכלים לרשום את הפעילות החשמלית של מעגלים עצביים במוח העומדים בבסיס תפיסה או זיכרון או שמובילים להתנהגות מורכבת ולפעילות קוגניטיבית.

ניסיון אחד להתגבר על מכשלה זו כרוך ביצירת מפה של הקשרים האנטומיים, או הסינפסות, בין תאי העצב, תחום שהוענק לו הכינוי קוֹנֶקְטוֹמיקה (connectomics). פרויקט הקוֹנֶקְטוֹם האנושי (על משקל פרויקט הגנום האנושי), שהושק לאחרונה בארה”ב, יספק את תרשים החיווט המבני של המוח. אבל כמו בתולעת העגולה, המפה הזאת היא רק נקודת ההתחלה. היא לבדה לא תוכל לתעד את האותות החשמליים המשתנים תדיר ומייצרים תהליכים קוגניטיביים נתונים.

כדי לרשום אותות חשמליים אלו, נדרשות שיטות חדשות לגמרי למדידת הפעילות החשמלית במוח. מדובר בשיטות שאינן מצויות בטכנולוגיה הקיימת, היכולה לספק תמונה מדויקת של הפעילות החשמלית של קבוצות קטנות של תאי עצב, או הדמיה גורפת של אזורי מוח נרחבים אך ללא הרזולוציה הנדרשת כדי לזהות הפעלה או השתקה של מעגלים עצביים נתונים. רישומים חשמליים בעלי רמת דיוק גבוהה נערכים כיום באמצעות החדרת אלקטרודה דמוית מחט למוחן של חיות מעבדה כדי לעקוב אחר קצב הירי של תא עצב יחיד, כלומר, הפעילות החשמלית המתרחשת לאחר שהתא מקבל אותות כימיים מתאי עצב אחרים. כשתא עצב מקבל גירוי הולם, מפל המתח של קרום התא מתהפך. שינוי המתח גורם לתעלות בקרום התא להכניס אל תוך התא יוני נתרן או יונים אחרים בעלי מטען חיובי. זרם היונים גורם לאות חשמלי שנע לאורך השלוחה הארוכה של התא, המכונה אֶקְסוֹן, וגורמת לו לשדר אותות כימיים לתאי עצב אחרים וכך להמשיך ולהפיץ את האות. רישום הפעילות של תא עצב אחד בלבד משולה לניסיון הבלתי אפשרי לעקוב אחר העלילה של סרט ברזולוציה גבוהה באמצעות מעקב אחר פיקסל יחיד. זוהי גם שיטה פולשנית שיכולה לגרום נזק לרקמה.

ובקצה האחר של הקשת, שיטות העוקבות אחר הפעילות המשותפת של תאי עצב במוח כולו גם הן אינן מספקות. באלקטרו-אֶנצֶפַלוגרפיה (EEG) המוּכּרת, שהמציא הנס ברגר בשנות ה-20 של המאה ה-20, אלקטרודות המונחות על גבי הקרקפת מודדות את הפעילות החשמלית המשותפת של יותר מ-100,000 תאי עצב המצויים תחתיהן. EEG מודד אפוא את ה”גלים” העולים ויורדים של פעילות חשמלית בטווחי זמן של מילי-שניות, אך הוא אינו יכול להבחין בפעילות החשמלית של תא עצב יחיד. הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI), המייצרת כתמי צבע המאירים אזורים פעילים במוח, רושמת בדרך לא פולשנית את הפעילות העצבית במוח כולו, אך באִטיות וברזולוציה מרחבית נמוכה. יותר מזה, fMRI אינו עוקב באופן ישיר אחר פעילות חשמלית אלא אחר שינויים משניים בזרימת הדם ביחידת נפח נתונה.

כדי לקבל מידע על תבניות מגיחות בפעילות המוח, חוקרים זקוקים לשיטות חדשות שיכולות לרשום את הפעילות החשמלית מִצברים של אלפי תאי עצב. תחום הננוטכנולוגיה, המביא עמו חומרים חדשים המסוגלים למדוד במצבים מסוימים ממדים הקטנים ממולקולה אחת, יכול לסייע בפיתוח שיטות רישום מתאים מרובים. כיום יש כבר אבות טיפוס של מערכים המכילים יותר מ-100,000 אלקטרודות על גבי סיליקון. מערכים כאלה יוכלו לרשום את הפעילות החשמלית של עשרות אלפי תאי עצב ברשתית. המשך פיתוח הטכנולוגיה יאפשר לערום את המערכים למבנה תלת-ממדי, להפחית את מספר האלקטרודות כדי להימנע מנזק לרקמה ולהאריך אותן כדי להעמיק אל תוך קליפת המוח, שהיא השכבה החיצונית ביותר של המוח. פיתוחים כאלה יאפשרו לרשום את הפעילות החשמלית של עשרות אלפי תאי עצב בבני אדם חולים באופן שיאפשר להבחין בתכונות החשמליות של כל תא ותא.

אלקטרודות אינן הדרך היחידה לעקוב אחר פעילות עצבית. כיום מצויות כבר שיטות אחרות מלבד חיישנים חשמליים. ביולוגים, השואלים ידע משיטות שפותחו בידי פיזיקאים, כימאים וגנטיקאים, מתחילים לפתח שיטות הדמיה העוקבות אחרי תאי עצב חיים בחיות ערות המתנהגות כהרגלן.

רמז לבאות התקבל ב-2013, כשמישה אהרנס מקמפוס המחקר ג’נליה פארם, של המרכז הרפואי ע”ש הווארד יוז, באשברן שבווירג’יניה, השתמש בעוברי דג הזברה לצורך הדמיה של המוח השלם. דג הזברה הוא אחד היצורים החביבים על נוירוביולוגים, משום שבשלבים העובריים הוא שקוף, כך שאפשר בקלות לראות את איבריו הפנימיים, ובכללם המוח. בניסוי, תאי עצב של דג הזברה הונדסו בהנדסה גנטית כך שהם זוהרים כשיוני סידן חודרים לתא לאחר ירי חשמלי. סוג חדש של מיקרוסקופ האיר את מוחם של דגי הזברה באמצעות הקרנת יריעת אור על האיבר כולו בעוד מצלמה צילמה את תאי העצב נדלקים מדי שנייה בשנייה.

השיטה, המכונה הדמיית סידן, שפיתח אחד מאתנו (יוסט) כדי לרשום את הפעילות החשמלית של מעגלים עצביים, מאפשרת לרשום את פעולתם של 80% מתוך 100,000 תאי העצב של דג הזברה. מתברר שכשהדגים היו שרויים במנוחה, אזורים רבים של מערכת העצבים העוברית הופעלו והושתקו בתבניות מסתוריות. מאז שהמציא ברגר את ה-EEG, חוקרים ידעו שמערכת העצבים, למעשה, פעילה תמיד. הניסוי בדגי הזברה מעורר תקווה ששיטות הדמיה חדשות יותר יוכלו לסייע להתגבר על אחד האתגרים העיקריים בנוירוביולוגיה: משמעות הירי המתמשך והספונטני של קבוצות גדולות של תאי עצב.

הניסוי בדגי הזברה הוא רק ההתחלה, משום שדרושות טכנולוגיות טובות מזו כדי לגלות כיצד הפעילות המוחית מובילה להתנהגות. יש לתכנן סוגי מיקרוסקופים חדשים כדי לראות פעילות עצבית בשלושה ממדים. כמו כן, הדמיית זרמי הסידן אִטית מכדי לעקוב אחר הירי המהיר של תאי עצב וגם אינה מסוגלת לזהות אותות מעכבים המשככים את הפעילות החשמלית בתא.

נוירופיזיולוגים, העובדים שכם אל שכם עם גנטיקאים, פיזיקאים וכימאים מנסים לשפר שיטות אופטיות כך שבמקום למדוד את ריכוז הסידן תירשם הפעילות העצבית היישר באמצעות מדידת השינויים במתח קרום התא. אפשר, למשל, לצבוע באמצעות הנדסה גנטית את תאי העצב בצבעים המשנים את התכונות האופטיות שלהם כתלות במתח כדי לשפר את ההדמיה בהשוואה לזו שמתקבלת במעקב אחר זרמי סידן. שיטה זו, המכונה הדמיית מתח, עשויה לאפשר, בסופו של דבר, לחוקרים לרשום את הפעילות החשמלית של כל תא עצב במעגל עצבי שלם.

ואולם, הדמיית מתח מצויה עדיין בחיתוליה. כימאים צריכים להגביר את יכולתם של החומרים לשנות צבע או לשנות תכונות אחרות כשתא העצב יורה אות חשמלי. יש לוודא גם שהצבעים הכימיים לא יפגעו בתא העצב. ועם זאת, כבר כעת ביולוגים מולקולריים בונים חיישני מתח המקוּדדים באמצעים גנטיים. הכוונה לתאים הקוראים רצף גנטי המכיל את הקוד של חלבון הזוהר באור פלואורסצנטי והמשוגר לקרום החיצוני של התא. מרגע שהחלבון מגיע לשם הוא משנה את רמת הזוהר שלו כתגובה לשינויים במתח תא העצב.

כמו עם אלקטרודות, חומרים לא-ביולוגיים מתקדמים שהושאלו מן הננוטכנולוגיה עשויים להיות לעזר. במקום צבעים אורגניים או סמנים גנטיים, אפשר להכין סוג חדש של חיישן מתח שיהיה עשוי מ”נקודות קוונטיות”, חלקיקים קטנים מוליכים למחצה שיש להם השפעות קוונטו-מכניות ושאפשר לתכנן את התכונות האופטיות שלהם, כמו הצבע או עוצמת האור, באופן מדויק. יהלומי-ננו, למשל, שהם חומר חדש שהגיע מתחום האופטיקה הקוונטית, רגישים לשינויים בשדות חשמליים המתחוללים כשיש פעילות חשמלית בתא. אפשר גם לשלב חלקיקי-ננו עם צבעים אורגניים רגילים או עם צבעים שעברו הנדסה גנטית, כדי לייצר הכלאות מולקולריות שבהן חלקיקי הננו ישמשו כ”אנטנה” ויגבירו את האותות החלשים שמייצרים הצבעים הפלואורסצנטיים כשתא העצב מופעל.

לחדור לעומק

אתגר טכני נוסף שיש להתגבר עליו כדי לאפשר לראות פעילות עצבית הוא הקושי לשגר ולאסוף אותות אור ממעגלים עצביים השוכנים עמוק מתחת לפני השטח של המוח. כדי לפתור בעיה זו, מפתחי השיטות הנוירוטכנולוגיות מתחילים לשתף פעולה עם חוקרים באופטיקה חישובית, בהנדסת חומרים וברפואה, שגם הם צריכים לראות בצורה בלתי פולשנית דרך עצמים מוצקים, בין שזה העור, הגולגולת או שבב מחשב. מדענים יודעים כבר מזמן שחלק מן האור שפוגע בעצם מוצק מתפזר, ושבאופן עקרוני אפשר להשתמש בפוטונים שהתפזרו כדי לגלות פרטים על העצם.

לדוגמה, אור הפנס מצד אחד של כף היד מאיר דרכה, ויוצא כזוהר פזור שאינו מספק רמז כלשהו על מיקום העצמות או כלי הדם מתחת לעור. אבל המידע על המסלול שבו עובר האור דרך כף היד אינו אובד לגמרי. גלי האור הבלתי סדורים מתפזרים ואז מפריעים זה לזה. אפשר לקלוט את תבנית האור הזאת באמצעות מצלמה ולשחזר את הדמות הלכודה בהם באמצעות שיטות חישוביות חדשות. ב-2013 שימשה השיטה הזאת את רפאל פייסטון ועמיתיו מאוניברסיטת קולורדו בבולדר כדי לראות דרך חומר אטוּם. אפשר לשלב את השיטות האלה עם שיטות אופטיות אחרות, ובכללן שיטות המשמשות אסטרונומים לתיקון עיוותים הנגרמים לאור הכוכבים בהשפעת האטמוספרה. אופטיקה חישובית, כפי שהיא מכונה, יכולה לעזור לראות את האור הפלואורסצנטי שמפיצים צבעים בזמן שתאי עצב בעומק המוח יורים.

מקצת השיטות האופטיות החדשות האלה כבר שימשו בהצלחה לדימות פנים המוח של בעלי חיים או של אנשים לאחר שהסירו פיסה מגולגלתם, והן אפשרו למדענים לראות לעומק של יותר ממילימטר בתוך קליפת המוח. בשכלול נוסף, שיטות אלו עשויות לספק דרך לראות דרך הגולגולת עצמה. הדמיה אופטית דרך עצמים לא תצליח לחדור למרחק שיאפשר לזהות מבנים עמוק בתוך המוח, אך המצאה חדשה נוספת, המכונה מיקרו-אנדוסקופיה, עשויה לפתור בעיה זו. בשיטה זו, נוירו-רדיולוגים מחדירים צינורית דקה וגמישה אל עורק הירך, ואז מנווטים אותה לחלקים שונים של הגוף, ובכללם המוח. לאחר מכן הם משתמשים בסיבים אופטיים המושחלים בצינורית כדי לבצע את המדידות. ב-2010 הדגימה קבוצה ממכון קרולינסקה בשטוקהולם מכשיר חדש, המכונה אקסטרודוסר (extroducer), המאפשר לחורר באופן בטוח את העורק או את כלי הדם שדרכו מוחדר האנדוסקופ. בשיטה זו אפשר לבחון כל אזור במוח, ולא רק את כלי הדם, בעזרת שיטות הדמיה שונות או רישום חשמלי.

אלקטרונים ופוטונים הם מועמדים ברורים מאליהם לרישום פעילות חשמלית במוח, אך הם אינם היחידים. טכנולוגיית דנ”א גם היא יכולה למלא בעתיד תפקיד מכריע במעקב אחר פעילות עצבית. אחד מאתנו (צ’רץ’) קיבל השראה מתחום הביולוגיה הסינתטית, שבה משתמשים בחומרים ביולוגיים כאילו היו חלקי מכונה. ככל שהמחקר יתקדם, יהיה אפשר להנדס חיות מעבדה כך שיסנתזו “סרט טלגרפי מולקולרי”, כלומר מולקולה שמשתנה בצורה ייחודית וניתנת לזיהוי כשתא עצב מופעל. על פי תרחיש אחד, את הסרט המולקולרי הזה ייצר אנזים הקרוי דנ”א פולימראז, אנזים הבונה גדיל ארוך של דנ”א הנקשר לגדיל אחר בעל רצף קיים של נוקליאוטידים (ה”אותיות” שהן אבני הבניין של דנ”א). זרם של יוני סידן אל תוך התא, הנוצר בעקבות ירי של תא העצב, יגרום לפולימראז לייצר רצף שונה של אותיות, כלומר לגרום ל”טעויות” ברצף הצפוי של הנוקליאוטידים. לאחר מכן יהיה אפשר לקבוע את רצף הנוקליאוטידים הדו-גדילי שיתקבל מכל תא עצב במוחה של חיית הניסוי. שיטה חדשה המכונה קביעת רצף בתא בעזרת פלואורסנציה תאפשר לעקוב אחר תבניות השינוי, כלומר אחר הטעויות שהתקבלו בסרט המולקולרי, המעידות על העוצמה או על התזמון של כל אות בכל אחד מתאי העצב הרבים בפיסת רקמה נתונה. ב-2012 דיווחו החוקרים ממעבדתו של צ’רץ’ על היתכנות רעיון השימוש בסרט מולקולרי עשוי דנ”א המשתנה בעקבות זרמים של יוני מגנזיום, מנגן וסידן.

בעתיד, הביולוגיה הסינתטית עשויה לאפשר בנייה של תאים מלאכותיים שישמשו כזקיפים שיפטרלו בגוף האדם. תא מהונדס בהנדסה גנטית יוכל לשמש כאלקטרודה ביולוגית שקוטרה קטן בהרבה מרוחב שערה, ושאפשר למקמה על יד תא עצב כדי לעקוב אחר הירי החשמלי שלו. מעגל ננומטרי בתוך התא, או “אבק אלקטרוני”, יוכל לרשום את תבנית הירי ולהעביר את הנתונים באמצעות קישור אלחוטי למחשב סמוך. המכשירים הננומטריים האלה, הכלאה בין אלקטרוניקה לחלקים ביולוגיים, עשויים לקבל אנרגיה ממשדר אולטרה-סאונד חיצוני או אפילו מתוך התא עצמו, בשימוש בגלוקוז, באדנוזין טריפוספאט (ATP) או במולקולה אחרת.

הפעלה וכיבוי של מתגים

כדי להבין מה קורה ברשת העצומה של מעגלים עצביים במוח, חוקרים אינם יכולים להסתפק בצילום תמונות. הם צריכים להפעיל או להשתיק קבוצות נבחרות של תאי עצב כרצונם כדי לבדוק מה עושים התאים. אופטו-גנטיקה, שיטה שאומצה באופן נרחב בידי נוירוביולוגים בשנים האחרונות, כרוכה בשימוש בחיות שהונדסו בהנדסה גנטית כך שתאי העצב שלהן מייצרים חלבונים רגישים לאור שמקורם בחיידקים או באצות. כשהחלבונים האלה נחשפים לאור הם מפעילים תאי עצב או משתיקים אותם. חוקרים השתמשו בשיטה הזאת כדי להפעיל מעגלים עצביים הקשורים בהנאה, בתגובות גמול אחרות ובתנועות הלקויות המאפיינות חולים בפרקינסון. הם אפילו השתמשו באופטו-גנטיקה כדי “להשתיל” זיכרונות מזויפים בעכברים.

הצורך בהנדסה גנטית מחייב מסלולי אישור ארוכים לפני שיהיה אפשר לבחון את האופטו-גנטיקה או להשתמש בה כטיפול בבני אדם. חלופה מעשית יותר לשימושים מסוימים היא שיטה שבה קושרים מולקולות של מוליכים עצביים (נוירוטרנסמיטרים), המווסתים את פעילות תאי העצב, למולקולות רגישות לאור, המכונות “כלובים”. מרגע שהכלוב נחשף לאור, הוא מתפרק, והמוליכים העצביים מתפזרים ונעשים פעילים. במחקר מ-2012, השתמש סטיבן רות’מן מאוניברסיטת מינסוטה, בשיתוף פעולה עם מעבדתו של יוסט, בכלובי רותניום שהכילו את המוליך העצבי GABA המדכא את הפעילות העצבית. החוקרים הניחו את הכלובים האלה על קליפת המוח החשופה של חולדה שהִשרו בה התקפים אפילפטיים בעזרת כימיקלים. פעימת אור כחול על המוח שחררה את ה-GABA והפיגה את ההתקפים. גישות “אופטו-כימיות” דומות משמשות כיום כדי לחקור את השימוש במעגלים עצביים מסוימים. פיתוח נוסף יאפשר שימוש בגישות כאלה לטיפולים במחלות נוירולוגיות או במחלות נפש מסוימות.

הדרך ממחקר בסיסי ליישומים קליניים עדיין ארוכה. כל רעיון חדש למדידה ולתמרון של פעילות עצבית בקנה מידה גדול יצטרך להיבחן תחילה בזבובי פירות, בתולעים עגולות ובמכרסמים לפני שיגיע לבני אדם. מאמץ אינטנסיבי עשוי לאפשר לחוקרים לבצע הדמיות ולשלוט בדרך אופטית על חלק ניכר מ-100,000 תאי העצב במוחם של זבובי פירות בתוך כחמש שנים. מכשירים שיקלטו ויווסתו פעילות עצבית במוח של עכבר ערני רחוקים כדי 10 שנים. שיטות מסוימות, כמו אלקטרודות דקות לצורך תיקון פגמים במעגלים עצביים בחולים בדיכאון או באפילפסיה, עשויות להיכנס לשימוש רפואי כבר בשנים הקרובות, ואילו אחרות עשויות להתעכב עשור ויותר.

ככל שהשיטות הנוירולוגיות נעשות מתוחכמות, יצטרכו חוקרים לשפר את הדרך שבה הם מנהלים ומשתפים את כמויות המידע העצומות שהם אוספים. הדמיית הפעילות של כל תאי העצב בקליפת המוח של עכבר תייצר 300 טרה-ביטים של נתונים דחוסים בתוך שעה. אך זו אינה משימה שאי אפשר להתגבר עליה. מתקני מחקר מתוחכמים, המקבילים למצפי כוכבים, למרכזי חקר הגנום ולמאיצי חלקיקים, יכולים לאסוף, לעבד ולהפיץ שטף כזה של מידע דיגיטלי. בדיוק כשם שפרויקט הגנום האנושי הוליד את תחום הביואינפורמטיקה כדי להתמודד עם המידע שהתקבל מקביעת רצף הגנום, כך הדיסציפלינה האקדמית של נוירוביולוגיה חישובית יכולה לפענח את מנגנון הפעולה של כל מערכת העצבים.

היכולת לנתח פטה-בייטים של נתונים תייצר אפוא סדר בשטף המידע החדש. אך יותר מכך, היא אף תסלול את הדרך לתיאוריות חדשות שיסבירו כיצד הרעש של ירי עצבי מתורגם לתפיסה, ללמידה ולזיכרון. ניתוח המידע עשוי גם לאשש או להפריך תיאוריות שלא היה אפשר לבחון לפני כן. תיאוריה מסקרנת אחת מניחה שתאי העצב הרבים המעורבים בפעילות של מעגל עצבי מפתחים רצפי ירי ספציפיים המכונים רצפי משיכה ועשויים לייצג מצבי מוח מגיחים: מחשבה, זיכרון או החלטה. במחקר אחד שנערך לאחרונה, עכבר היה צריך לבחור איזה אזור לחצות בתוך מבוך וירטואלי שהוקרן על מסך. פעולת הבחירה הפעילה עשרות תאי עצב וגרמה לשינויים דינמיים בפעילות העצבית הדומים לאלו של רצף משיכה.

הבנה טובה יותר של מעגלים עצביים יכולה לשפר אבחון של מחלות מוח מאלצהיימר ועד אוטיזם ולספק הבנה עמוקה יותר על הגורמים למחלות אלה. במקום לאבחן מצבים כאלה ולטפל בהם רק על סמך תסמינים, רופאים יוכלו לחפש שינויים אופייניים בפעילות של מעגלים עצביים מסוימים שעומדים בבסיס כל מחלה ולטפל בהם. כמו כן, ידע על שורשי המחלה יתורגם מן הסתם לרווח כלכלי לרפואה ולביוטכנולוגיה. כמו שקרה בפרויקט הגנום האנושי, יהיה צורך להידרש לסוגיות אתיות וחוקיות, בייחוד אם המחקר יוביל לשיטות שיוכלו להבחין במצבים נפשיים או לשנות אותם. שיטות כאלה יצריכו אמצעי ביטחון קפדניים כדי להבטיח הסכמה מדעת של המטופלים ושמירה על פרטיותם.

ואולם, כדי שהיוזמות השונות בחקר המוח יצליחו, מדענים ותומכיהם צריכים להתמקד ביעד של הדמיה וויסות מעגלים עצביים. הרעיון ליוזמת המחקר BRAIN נבע ממאמר בכתב העת המדעי “נוירון” שהתפרסם ביוני 2012. במאמר, אנחנו ועמיתינו הצענו שיתוף פעולה ארוך טווח בין פיזיקאים, כימאים, מדעני ננוטכנולוגיה, ביולוגים מולקולריים ונוירוביולוגים כדי לייצר “מפת פעילות מוחית” בעזרת שיטות חדשות למדידה ולבקרה של הפעילות החשמלית של מעגלים עצביים שלמים במוח.

אנו מבקשים להדגיש שבעת שיוזמת BRAIN השאפתנית מתפתחת, יש לשמור על הדגש המקורי לבניית כלי מחקר חדשים. חקר המוח הוא בעל היקף עצום, ויוזמת BRAIN עשויה להפוך בקלות לרשימת משאלות שמנסה להשביע את נושאי העניין רחבי הטווח של תת-התחומים המרובים במדעי העצב. היא עשויה אפוא להיות רק תוספת שולית לפרויקטים קיימים המתנהלים כבר כעת במעבדות רבות העובדות כל אחת באופן עצמאי.

אם זה יתרחש, ההתקדמות תהיה אקראית, וייתכן שלעולם לא נצליח להתגבר על אתגרים טכניים מרכזיים. אנו זקוקים לשיתוף פעולה בין תחומי מחקר אקדמיים. בניית מכשירים להדמיית שינויי מתח במיליוני תאי עצב בבת אחת באזורים שלמים של המוח תתאפשר רק בעקבות מאמצים ממושכים של קבוצה גדולה ורב-תחומית של חוקרים. בסופו של דבר הטכנולוגיה תיעשה זמינה במתקן גדול, דמוי מצפה כוכבים שיהיה משותף לקהילת הנוירוביולוגיה. אנו דבקים בלהט בצורך להתמקד בפיתוח שיטות חדשות לרישום, לבקרה ולפענוח של אותות חשמליים שהם למעשה שפת המוח. אנו סבורים שבלי הכלים החדשים האלה, מדעי המוח לא יתקדמו ולא יוכלו לזהות את התכונות המגיחות של המוח העומדות בבסיס טווח אינסופי של התנהגויות. שיפור היכולת לזהות את שפת האותות החשמליים ותאי העצב ולהשתמש בה היא הדרך היעילה ביותר לפתח תיאוריה כוללת של האופן שבו פועלת המכונה המורכבת ביותר שיצר הטבע.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________

על המחברים

רפאל יוסט (Yuste) הוא פרופסור למדעי הביולוגיה והנוירוביולוגיה באוניברסיטת קולומביה ומנהל שותף של מכון קוולי למדעי המוח. הוא זכה לאחרונה בפרס מנהל ה-NIH למחקר חלוצי.

ג’ורג’ מ’ צ’רץ’ (Church) הוא פרופסור לגנטיקה באוניברסיטת הרווארד ומייסד personalgenomics.org, מקור מידע פתוח לנתונים על הגנום האנושי, הדמיית מערכת העצבים ותכונות התנהגותיות וקוגניטיביות. הוא מכהן במועצה המייעצת של סיינטיפיק אמריקן.

בקיצור

המוח והאופן שבו הוא מייצר מחשבות מודעות הוא עדיין אחת התעלומות הגדולות של המדע.

כדי להיטיב להבין את המוח, נוירוביולוגים זקוקים לכלים חדשים לניתוח אופן הפעולה של מעגלים עצביים.

שיטות לרישום או לוויסות הפעילות החשמלית של מעגלים במוח יכולות לענות על צרכים אלה.

ממשל אובמה השיק יוזמה רחבת היקף כדי לקדם פיתוח של שיטות כאלו.

עוד בנושא

The Brain Activity Map Project and the Challenge of Functional Connectomics. A. Paul Alivasatos et al. in Neuron, Vol. 74, No. 6, pages 970-974; June 21, 2012.

The NIH Brain Initiative. Thomas R. Insel et al. in Science, Vol. 340, pages 687-688; May 10, 2013.

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל