רשתות הנוירונים מגיעות לקונסנזוס

כל מילימטר מעוקב במוח מכיל יותר מ-100,000 נוירונים, וכל אחד מהם מסוגל לתקשר עם 10,000-1,000 תאים אחרים. מחקר חדש מראה כיצד פועלת תקשורת זו כשלא כל תא לעצמו

ייתכן שהרשתות העצביות במוחנו פועלות באופן דמוקרטי; כלומר, התנהגות הרשת כמכלול מעוצבת על-פי ההתנהגות הקולקטיבית של ה”אזרחים” שלה. בניסוי ייחודי, שבו גודלה “חברה” קטנה של נוירונים בצלוחית מעבדה, גילו מדעני מכון ויצמן למדע, כי כל נוירון, כאשר הוא לבדו, פועל בקצב העצמי שלו. אולם, כאשר התנאים מחייבים את הנוירונים לעבוד יחד, המקצבים שלהם מתאחדים והופכים לאות מתואם.

“אחת השאלות הלא-פתורות באשר לרשתות המוח, היא כיצד הפעילות שלהם נשלטת”, אומר פרופ’ מנחם סגל מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון. “רבים הניחו את קיומם של ‘תאים מנהיגים’ אשר מניעים את האחרים, אבל תאים כאלו לא נצפו בפעולה”. פרופ’ סגל והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד”ר ירון פן, יחד עם הפיסיקאי פרופ’ אלישע מוזס, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, חקרו את השאלה הזאת ברשת נוירונים מלאכותית שפיתחו חברי קבוצת המחקר של פרופ’ מוזס.

רשת הנוירונים הניסיונית שיצרו היא מודל מפושט ופועל של רשת מוחית. היא מכילה מספר קטן של נוירונים של עוברי חולדה, אשר גודלו יחד בתנאי מעבדה המאפשרים לנוירונים לתקשר אלה עם אלה. כך יכולים המדענים לצפות בפעילות הנוירונים מטווח קצר, כיחידים וכקבוצה, משך פרקי זמן ארוכים.

במסגרת הניסוי גיוונו החוקרים את רמות היונים השונים בסביבת הנוירונים. יונים אלה מנעו את הקישוריות ברשת או הגבירו אותה. “ההפתעה הראשונה”, אומר ד”ר פן, “הייתה שרוב הנוירונים היו פעילים ושיגרו אותות חשמליים גם כשהיו מנותקים מהרשת. פעילות זו לבשה צורה של תנודות – פסגות ושפלים מחזוריים – וכל נוירון התנודד בקצב משלו”.

ההפתעה השנייה הייתה, שכאשר התנאים היו מתאימים לפעילות הרשת, האותות שהתעוררו היו גם הם תנודתיים, והתדרים של תנודות אלו היו קרובים לממוצע של הנוירונים הנפרדים. דבר זה הצביע על תבנית של פעילות שבה הנוירונים הבודדים הופכים יותר ויותר מחוברים, ומתאמים את התדרים שלהם לאלה של שכניהם, עד שהתבנית מתארגנת באופן מתואם. “הדפוס שאנו רואים בניסויים”, אומר פרופ’ מוזס, “מתאים למודלים תיאורטיים בהם הנוירונים נמצאים במצב שבו האות מתעורר באופן דמוקרטי, כתוצאה מהחיבוריות ביניהם”.

פרופ’ מוזס אומר שמערכות רבות בטבע, בנוסף למערכות עצביות, כרוכות בתנודות ובתיאום. “ענן של גחליליות המהבהבות בתיאום, או קהל בקונצרט המוחא כפיים בקצב אחיד, הם דוגמאות של מערכת קולקטיבית, מתואמת ותנודתית. אנו חושבים שהתנודה היא מצב ברירת המחדל בשביל נוירונים רבים; תובנה זו יכולה לעזור לנו להבין איך נוצרות הרשתות שלהם”.

כיצד מסדירים הנוירונים את פעילות הרשת שלהם? גורם מפתח בתשובה לשאלה זו הוא יוני סידן. המדענים גילו, שגריעת סידן מסביבת התא מגבירה את רגישות התא, ואילו הוספת סידן מקטינה את רגישותו, אך מגבירה את החיבוריות בין התאים. “הצלחנו לשלוט בשני גורמים אלה – רגישות וחיבוריות – וכך קיבלנו תוצאות ‘לפי הזמנה'”, אומר פרופ’ מוזס.

כך, באמצעות מניפולציה על הרשת העצבית הניסיונית, מצאו המדענים שני מנגנונים שונים האחראים על מאפייני הפעילות ברשת. אחד מהם היה הממוצע הקולקטיבי, המאופיין בתנודה משותפת איטית, אשר נמשכת מספר שניות ומתקיימת כבר בתנאֵי קישוריות נמוכה. את השני מתארים המדענים כ”צעקה”: פסגה חדה שבה הפעילות החשמלית של כל הנוירונים מסונכרנת מאוד (תוך כמאית השנייה). צעקה או גל איטיים – שניהם תוצרי מנגנוני קישור בין הנוירונים, שהבשילו לרשת והתאימו את התדרים של התנודות שלהם אלה לאלה. כך, במקום רשת היררכית שבה כל תא עצב פועל לפי פקודה, פעילות הרשת של המוח בפועל עשויה להתנהל כמו הדמוקרטיה הטהורה של מדיסון: מאמץ קולקטיבי ונטול-מנהיג שבו כל נוירון ממלא תפקיד, ומושפע מן הפעילות הקבוצתית.

“המערכת הניסיונית שפיתחנו והתוצאה שד”ר פן קיבל, הן תוצר של שיתוף פעולה ייחודי בין חוקר מוח לפיסיקאי”, אומר פרופ’ סגל, “והתובנות שהעלינו יכולות להוביל אותנו לכיוונים חדשים רבים. לדוגמה, אנחנו יכולים לשאול איך נוירונים עובריים מתחילים ליצור רשתות, או אילו תנאים במוח גורמים לפעילות רשת ספציפית. מצד שני, אנו יודעים כי מחלות כמו אפילפסיה כרוכות בחוסר איזון בין רגישות לחיבוריות, והמערכת הזאת יכולה להניב דרכים חדשות לחקור מה השתבש”.