למידה וזיכרון, בין תמנונים לבני אדם וליונקים אחרים
תמנון הוא רכיכה ממשפחת חסרי החוליות וכמעט כל גופו בנוי מרקמות רכות. כלומר, אין לו שלד (מפרקים ועצמות) אלא שרירים בלבד. הוא ניחן בגמישות, יכולות מוטוריות וחופש תנועה רב ומצליח לבצע פעולות מורכבות כגון שחייה, זחילה, הליכה וזינוק לעבר טרף. בנוסף, הוא ניחן במוח מפותח במיוחד ביחס לרכיכות ולחסרי חוליות שמאפשר לו לבקר ביעילות את הפעולות הללו. לא בכדי הוא נחשב לאובייקט מחקרי מרתק שיש לו גם השלכות יישומיות.מה השאלה?כיצד תמנונים לומדים וזוכרים? והאם המערכת העצבית שלהם, שאחראית ללמידה ולזיכרון דומה לזו של יונקים?
פרופ’ (אמריטוס) בנימין הוכנר מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית בירושלים, חוקר כמה היבטים בתמנונים; אחד מהם הוא בקרת התנועה בזרועותיו הגמישות של התמנון כבסיס לתכנון רובוטים שבנויים מחומרים גמישים; מטרתו לפתח רובוטים שידמו לתמנונים מבחינת גמישות זרועותיהם (בעלות אין-סוף אפשרויות הזזה). לדבריו, “רובוטים שכאלו יוכלו לתפקד באזורים בעלי מבנה לא ידוע מראש, כגון אזורי אסון (למשל רעידת אדמה ואונייה שטבעה). השאיפה היא לתכנת אותם כך שיוכלו להתאים את מבנה גופם לפעולה הנדרשת באותו הרגע, בזמן אמת, ושיוציאו אותה לפועל באמצעות שלל תנועות בדומה לתמנונים”.
נעמד על ארבע הזרועות האחוריות ושולח את ארבע הזרועות הקדמיות לעבר המטרה
האתגר בתכנון רובוטים שכאלו, כפי שמסביר פרופ’ הוכנר, הוא בבקרת התנועה: “מערכת העצבים של התמנון צריכה לבקר אין-סוף דרגות חופש תנועתיות (למשל מעלה-מטה, ימינה-שמאלה, קדימה-אחורה) כך שלא ייצאו משליטה, ואנחנו חוקרים כיצד היא עושה זאת. מצאנו שהתמנון משתמש בתנועות קבועות מראש – סטריאוטיפיות. כך למשל, אם הוא רוצה להושיט זרוע לעבר מטרה, הוא יוצר כיפוף בבסיסה ואז מגלגל אותה (פעולה שכוללת בקרה של שלוש דרגות חופש בלבד)”.
התמנון נחשב גם בעל חיים אינטליגנט וסקרן במיוחד, שאפשר ללמוד ממוחו עקרונות ביולוגיים בסיסיים בתהליכי למידה, זיכרון ועיבוד מידע. לכן, במחקריו האחרונים של פרופ’ הוכנר, שנעשו בשיתוף עם ד”ר ניר נשר וד”ר טל שמרת מהמרכז האקדמי רופין, נבחנה האונה האנכית (Vertical lobe) בתמנונים – האזור המוחי שאחראי לתהליכי למידה וזיכרון אצלם. אומר פרופ’ הוכנר: “יכולות הלימוד והזיכרון של התמנון מדהימות (כפי שמודגם בטבע ובמעבדה), ואנחנו מנסים להבין אם המערכות שמתווכות אותן דומות לאלו שהתפתחו באבולוציה בבעלי חוליות כמונו או מבוססות על מנגנונים אחרים”.
בסדרת ניסויים, גילו המדענים שהפעילות החשמלית באונה האנכית במוח התמנון דומה לזו שמתקיימת בהיפוקמפוס – אזור מוחי שמעורב בתהליכי למידה וזיכרון ביונקים. בנוסף, הם גילו שכמו בהיפוקמפוס, גם באונה האנכית בתמנונים יכולה להתקיים הגברה סינפטית ארוכת-טווח; מדובר בתופעה מוחית שנחשבת לבסיס העצבי לזיכרון, שבה הקשר בין תאי עצב (נוירונים) מתחזק לאחר הפעלה חוזרת ונשנית של הקשר הסינפטי ונשאר כך זמן ממושך. “לאחר שגירינו בעוצמה קבוצת נוירונים באונה האנכית, ראינו שעוצמת השדה החשמלי התחזקה ונשארה כך במשך שעות אחדות. תופעה דומה מתקיימת גם בבני אדם (למשל בעת שינון) ויונקים נוספים, והיא מסייעת להם ללמוד ולזכור לטווח ארוך”, מסביר פרופ’ הוכנר.
בשלב הבא ביקשו החוקרים לבדוק אם המנגנון המולקולרי (הביוכימי) שאחראי להגברה הסינפטית ארוכת-הטווח, דומה לזה שקיים ביונקים. לשם כך ערכו ניסויים פרמקולוגיים שבהם חסמו מולקולות שונות כדי לבדוק מי מהן מעורבת בתופעה. כאשר חסמו את המולקולה NO (תחמוצת חנקן) – בעלת תפקיד בהרחבת כלי דם ובבקרת לחץ דם ביונקים וידועה כקשורה לתהליכי למידה בחסרי ובעלי חוליות – נבלמה התופעה. כלומר, עוצמת הקשר הבין-עצבי הלכה ונחלשה. מכאן הסיקו החוקרים ש-NO היא המולקולה שמתווכת הגברה סינפטית ארוכת-טווח בתמנונים. זאת, לעומת יונקים, שם אחראיות לכך מולקולות אחרות. פרופ’ הוכנר: “ממצא זה מעיד כי המנגנון המולקולרי שמתווך למידה וזיכרון בתמנונים התפתח בנפרד מזה של יונקים ויעילותו מופלאה. מבחינה יישומית, מדובר במנגנון פשוט למדי וייתכן שבעתיד אפשר יהיה להחדירו לגנים במערכת העצבים (בטכנולוגיית עריכת גנים), וכך לתקן בה פגיעות שקשורות בלמידה וזיכרון”.
בהמשך – בסיוע מענק מחקר מהקרן הלאומית למדע – מתכננים החוקרים לבדוק כיצד גירוי חשמלי של נוירונים גורם להפעלת האנזים שמייצר את NO וכיצד ההתחזקות הסינפטית יכולה להימשך זמן רב. “ייתכן שה-NO עצמה גורמת לכך. כלומר, שהאנזים ממשיך לפעול כל עוד היא בסביבה. זהו מנגנון ייחודי שאנחנו רוצים להוכיחו בתמנונים. לשם כך נבצע ניסויים ביולוגיים-מולקולריים וביוכימיים שבהם נבודד את האנזים ונבדוק את תכונותיו”, מסכם פרופ’ הוכנר.
עוד בנושא באתר הידען:
