סיקור מקיף

מדענים הוסיפו חיבור אחד בלבד בין שני תאי עצב בתולעים. זה הספיק כדי להפוך התנהגות זכרית לנקבית

ממצאי המחקר ממחישים כיצד שינוי מפת הסינפסות עשוי להוביל לשינוי בהתנהגות

מול פני סכנה, היצר הבסיסי של בעלי-חיים הוא לברוח – ומהר. אך כאשר תולעים מיקרוסקופיות נחשפו לגירוי כואב במעבדה במכון ויצמן למדע, הנקבות נמלטו מיד – בעוד הזכרים נותרו במקום והראו סיבולת רבה יותר לגירוי. המדענים הופתעו מהבדל כה מובהק בין המינים, ועוד ביצור פשוט כל כך מבחינה אבולוציונית. שונות זו בין זכרים לנקבות הייתה הזדמנות עבורם לבחון את אחת השאלות הגדולות של המוח: כיצד החיווט העצבי, כלומר הקשרים בין תאי עצב, מכתיב התנהגות.

"רצינו לבדוק כיצד התנהגות שונה כל כך של נקבות וזכרים מקודדת ברשתות עצביות", אומרת ד"ר מיטל אורן-סויסה מהמחלקה למדעי המוח במכון. ואכן, התולעת השקופה המכונה C. elegans היא מועמדת מצוינת לחקר סוגיה זו. תולעת נימית זו שאורכה כ-1 מילימטר, מתאפיינת בקשת התנהגויות רחבה יחסית, והקשרים בין 300 תאי העצב שלה, מופו באופן מלא בשני המינים.

חלק מהראש של תולעת זכרית תחת המיקרוסקופ. הסינפסות הסינתטיות מסומנות בעיגולים
חלק מהראש של תולעת זכרית תחת המיקרוסקופ. הסינפסות הסינתטיות מסומנות בעיגולים

המחקר יצא לדרך בשורת ניסויים שהובילה תלמידת המחקר ולדיסלבה (לדה) פצ'וק, שבמסגרתם בדקו החוקרים מה קורה לתולעים כאשר הן נחשפות לחומרים מסוכנים. המדענים חקרו את קולטני הכאב (המקבילים לקולטני הכאב בבני-אדם), שמאפשרים לתולעים לחוש חומרים מסוכנים. להפתעת החוקרים, התגובה של הקולטנים הייתה זהה בשני המינים, אך התגובה ההתנהגותית הייתה, כאמור, שונה לגמרי: הנקבות חמקו חיש ממקום הסכנה, בעוד הזכרים נותרו על מקומם עד שעוצמת הגירוי חצתה רף מסוים, כלומר עד אשר ריכוז החומר המסוכן היה גבוה מספיק. כאשר בחנו המדענים את המעגלים העצביים המופקדים על עיבוד המידע החושי, הם ראו כי הם מורכבים אמנם מאותם תאי עצב בשני המינים, אך מפת החיבורים ביניהם הייתה שונה במספר גדול של מקומות.

כדי לבחון אילו מבין ההבדלים שהתגלו משפיעים על ההתנהגות שנצפתה, צירפה ד"ר אורן-סויסה למחקר את עמיתה למחלקה, פרופ' אלעד שניידמן, שקבוצתו חוקרת, בין היתר, את הקשר בין ארכיטקטורה של רשתות עצביות לתפקודן. על בסיס תוצאות הניסויים בתולעים, בנתה תלמידת מחקר משותפת לשתי המעבדות, גל גולדמן, מודל חישובי של מעגלי חישת הסכנה בזכרים ובנקבות. המודל שבנתה גולדמן חזה שאכן ניתן להסביר את ההבדלים ההתנהגותיים באמצעות ההבדלים בחיווט בין התאים בשני המינים. יתרה מכך, המודל ניבא כי ההבדל המשמעותי ביותר בין החיווט הנקבי והזכרי נובע מסינפסה מסוימת אחת בלבד, כלומר חיבור בין שני תאי עצב, שקיים בנקבות אך לא בזכרים.

השלב הבא היה להעמיד את התחזית של המודל למבחן ולנסות "לתכנת" מחדש את הזכרים. בהליך מאתגר של הנדסה מולקולרית, הוסיפו פצ'וק ועמיתיה את החיבור החסר למעגל האחראי על חישת הסכנה בתולעת הזכרית. התוצאות היו מדהימות: הזכרים בעלי הסינפסה הסינתטית החלו להימלט מפני הסכנה ממש כמו הנקבות.

תאי העצב (אדום) המרכיבים את המעגלים העצביים שאחראים על חישת הסכנה בתולעת. סימון פלואורסצנטי מגלה קשרים פעילים בין תאי עצב (נקודות ירוקות בוהקות) הקיימים בנקבות (שמאל) אך לא בזכרים
תאי העצב (אדום) המרכיבים את המעגלים העצביים שאחראים על חישת הסכנה בתולעת. סימון פלואורסצנטי מגלה קשרים פעילים בין תאי עצב (נקודות ירוקות בוהקות) הקיימים בנקבות (שמאל) אך לא בזכרים

"ברור לנו שחלק משמעותי מאופי פעילותם של מעגלים עצביים נקבע על פי החיבורים בין תאי העצב במעגל, אך קשה מאוד לחקור ולאפיין ניסיונית את הקשר בין מבנה המעגל לתכונותיו במערכות מורכבות כמו מוחות של יונקים", מסביר פרופ' שניידמן. "מערכת העצבים של התולעת, לעומת זאת, פשוטה ונגישה יחסית, ולכן יכולנו לתכנת מחדש את המעגלים העצביים שלה ולהעמיד למבחן את תחזיות המודל החישובי שיצרנו".

השאלה שנותרה פתוחה היא מדוע התפתחה אצל התולעים הזכרים נטייה לסכן את עצמם? החוקרים סבורים כי מאחורי התנהגות זו ניצב הכוח האבולוציוני שאותו כינה דרווין ברירה זוויגית או מינית (sexual selection): עדיפות לתכונות המקדמות מציאת בן או בת זוג – גם ב"מחיר" חשיפה גדולה יותר לטורפים או לסכנות אחרות; דוגמא איקונית לכך היא זנב הטווס. במלים אחרות, החוקרים שיערו כי תגובה לסכנה או לכאב הייתה עומדת בדרכם של התולעים הזכרים אל הנקבות.

תרשים המציג את המעגל העצבי לחישת סכנה בתולעים הנקביות (למעלה), בתולעים הזכרים (במרכז), ובתולעים הזכרים המהונדסים (למטה) אשר אימצו התנהגות נקבית בעקבות יצירת חיבור בין שני תאי עצב במעגל
תרשים המציג את המעגל העצבי לחישת סכנה בתולעים הנקביות (למעלה), בתולעים הזכרים (במרכז), ובתולעים הזכרים המהונדסים (למטה) אשר אימצו התנהגות נקבית בעקבות יצירת חיבור בין שני תאי עצב במעגל

"התולעת הזכרית חייבת לקחת סיכונים – אם היא תימנע מכל אות מבשר רעות בסביבתה, היא לא תגיע לנקבה", מסבירה ד"ר אורן-סויסה. התולעת הנקבית, לעומת זאת, אינה זקוקה לזכר בהכרח, שכן היא הרמפרודיטית – איברי הרבייה שלה מייצרים גם ביציות וגם זרע, כך שהיא יכולה להפרות את עצמה.

הניסויים במעבדה תמכו בהשערה זאת: בעוד זכרים לא מהונדסים זינקו מיד לעבר נקבות – ולעזאזל איתותי הסכנה בדרך – אלה המהונדסים נעו במסלולים סבוכים ושבו על עקבותיהם שוב ושוב; כתוצאה מכך לקח להם פי עשרה יותר זמן להגיע לבנות זוג פוטנציאליות.

ממצאי המחקר ממחישים כיצד שינוי מפת הסינפסות עשוי להוביל לשינוי בהתנהגות. מוח האדם אמנם מורכב בהרבה ממערכת העצבים של C. elegans ויש בו טריליוני סינפסות, לעומת כ-5,000 בתולעת הזעירה, אך הארכיטקטורה הבסיסית המבוססת על חיבורים בין תאי עצב היא אותה ארכיטקטורה. "שינוי בסינפסה אחת לא יוביל לשינוי בהתנהגות אצל בני-אדם, לשם כך יידרש כנראה חיווט מחדש בהיקף אחר לגמרי", מבהיר פרופ' שניידמן. ממצאי המחקר עשויים גם להיות רלוונטיים לבניית מערכות מלאכותיות המחקות את פעילות המוח, כולו או חלקים ממנו, והם מתווים כיוון חדש לחקר המנגנונים האחראיים על הבדלים בתפיסת הכאב בין המינים – הבדלים אשר תועדו במחקרים בחיות מורכבות יותר מבחינה אבולוציונית, כולל בני-אדם.

במחקר השתתפו גם מדען הסגל ד"ר יהודה זלצברג ממעבדתה של ד"ר אורן-סויסה ומדענים מאוניברסיטת באפלו (SUNY) ומאוניברסיטת רוצ'סטר.

C. elegans מתפתחת מביצית לתולעת בוגרת בתוך 3 ימים. התולעת חיה במעבדה כ-3 שבועות אך בסביבתה הטבעית – רקב פירות באדמה – היא יכולה לשרוד חודשים. אין לה עיניים או אוזניים, אך היא מגיבה לאורות ולצלילים ומסוגלת ללמוד ולשמור זיכרונות לאורך כ-24 שעות ואף יותר, לא רע גם במושגים של בני-אדם.

עוד בנושא באתר הידען:

דילוג לתוכן