עדכונים אחרונים בחקר המוח ממכון ויצמן

התגלית מציעה הסבר לתופעות של אשליות אופטיות הקשורות להבחנה מוטעית בתנועה

איור: מכון ויצמןכשקלינט איסטווד פירק אקדח, בכל המוחות “נדלק” האזור האחראי על חוש המישוש

מאת מרית סלוין, הארץ

המוח / סריקת אם-אר-איי של נבדקים בעת שצפו בסרט קולנוע מצביעה על אחידות רבה בפעילות המוחית של אנשים שונים

המערבון הקלאסי “הטוב, הרע והמכוער” מככב במחקר ישראלי חדש, שביקש לבדוק מה קורה במוחו של אדם כשהוא צופה בסרט. המחקר, שערך פרופ' רפאל מלאך מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן יחד עם תלמיד המחקר אורי חסון, יוצא דופן במתודולוגיה שלו. “כל המחקרים בהדמיית מוח בבני אדם נעשים בתנאי מעבדה מבוקרים”, אומר מלאך. “האדם ממקד את מבטו בתמונות שמוצגות בפניו אחת-אחת ובה בעת ממפים במוחו את אזורי המוח שמגיבים למראה התמונות. אבל העולם הוא דינמי – הרבה דברים קורים בו בבת אחת, בזרימה בלתי פוסקת. השאלה מה קורה במוחו של אדם כשהוא נחשף לסביבה כה משופעת בגירויים לא נבדקה עדיין. החלטנו לייצר סביבה כזאת, והדרך לעשות זאת היתה להקרין סרט קולנוע. בעת חשיפה לסרט מערכת החושים נחשפת באינטנסיוויות לאובייקטים, לצלילים, לצבעים ועוד. החלטנו להקרין לצופים-הנבדקים סרט פעולה, שאמור לרתק את כל החושים בצורה מובהקת יותר מכל סרט אחר”.

קבוצת החוקרים ממכון ויצמן בחרה בסרט “הטוב, הרע והמכוער” בכיכובו של קלינט איסטווד. הם הראו למתנדבים קטע של 30 דקות מהסרט ובחנו את המתחולל במוחותיהם באמצעות מערכת דימות תפקודים בתהודה מגנטית (fMRI). התוצאות הניבו שתי הפתעות. התברר שאצל כל הנבדקים הסרט עורר תגובות מוחיות דומות באופן מפתיע. “המוח פעל אצל כולם באותו אופן בזמן הצפייה בסרט”, אומר מלאך. “ציפינו לראות הבדלים הנובעים מהאישיות של כל פרט ופרט, אבל זה לא מה שראינו. התברר לנו שחרף הכמות העשירה של האינפורמציה שזרמה אל צופי הסרט, המוחות שלהם 'תיקתקו' בהתאמה מפתיעה. במלים אחרות, על אף הייחודיות של אנשים שונים, מתברר שקיימת התאמה רבה מאוד בין בני האדם. במובן מסוים אפשר לומר שכאשר אנו נחשפים לאותה סביבה חזותית, המוחות של כולנו 'מתקתקים' יחד בדפוסים מסונכרנים בזמן ובמרחב”.

בנוסף לגילוי על הפעולה המוחית האחידה, סיפק המחקר הפתעה שנייה. חסון ומלאך גילו שאזורים שונים במוח קולטים מסרט הקולנוע את התמונות והסצינות המתאימות להתמחות שלהם ופועלים באופן עצמאי, כשהם מתעלמים ממרכיבים חזותיים אחרים המפעילים אזורים אחרים במוח. אזור מסוים “תופס פיקוד”, ובזמן זה אזורים אחרים משתתקים. הצופה אמנם חש שהוא צופה בסרט אחיד ורציף, אך למעשה כל אזור במוחו “רואה” סרט פרטי וייחודי משלו. “בתנאי מעבדה זה צפוי, כי המטלות ממוקדות בפונקציות מסוימות”, אומר מלאך. “לעומת זאת, במצב טבעי, שבו מופיע עושר של דימויים בבת אחת, אנחנו לא רואים כל פרט בנפרד, אלא חוויה אחת זורמת. למרות זאת רואים במיפוי ה-fMRI, שבכל רגע בסרט אזורים מסוימים פעילים ואחרים משתתקים”.

בנו של פרופ' מלאך, ערן, בנה תוכנת מחשב המאפשרת לקשר בין כל רגע שבו התגלתה פעילות חזקה באזורי מוח מסוימים לבין הסצינה בסרט שעוררה את הפעילות הזאת. התוכנה חותכת קטעים מהסרט ובונה קליפ המורכב מכל הקטעים שהפעילו אזור מסוים. כך התברר למשל, שאזור המוח המתמחה בהכרת פנים הופעל רק כאשר הופיעו על המסך תמונות תקריב של פני השחקנים. “כשהסתכלנו על הקליפ ראינו שכל פעם שהבמאי מיקד את תשומת הלב לפרצופים, הופעל אותו אזור”, אומר מלאך. “סמוך לאזור הזה יש אזור שלפי הסברה, מתמחה בזיהוי מקומות. הקליפ שיצרנו הראה שהאזור הזה הופעל רק כשעל המסך הוקרנו תמונות של נופים ובניינים. וכך, למרות שחווים סרט רצוף, האזורים במוח פועלים כמו תזמורת. כל פעם משתלט כלי אחר, כאילו נותנים לו לנגן סולו באותו הרגע”.

מלאך מכנה את המתודולוגיה שבה השתמשו החוקרים “התאמה במהופך” – במקום צורת המחקר הקלאסית, שבה נותנים גירוי ומודדים תגובה, כאן לוקחים את התגובה ומשתמשים בה כדי לגלות מה היה הגירוי. כך, השימוש בסרט הקולנוע איפשר למדענים לגלות ביעילות את ההתמחויות התפקודיות של אזורים רבים ושונים במוח. החוקרים הופתעו, למשל, להיווכח שאזור במוח שידוע כאזור המתמחה בחוש המישוש הופעל כאשר הוקרנו סצינות הכוללות תנועות עדינות של ידיים, למשל פירוק והרכבה של אקדח. מלאך חושב שקשר מעניין זה בין חוש המישוש לראיית תנועות ידיים מרמז על מערכת מוחית הקשורה לחיקוי ולמידה מוטורית.

“מצאנו פעילות בהרבה אזורים שלא ידוע על מה הם אחראים”, אומר מלאך. “באמצעות השיטה שלנו אנחנו יכולים למצוא בסרט מה מפעיל אותם, ומשם לגלות אילו תפקודים הם ממלאים בפעילות המוחית. השיטה מאפשרת לבחור כל אזור שנראה מעניין ולראות מה מפעיל אותו בסרט”. המחקר של חסון ומלאך עשוי לאפשר לחוקרים לאתר במוח אזורים האחראים על בעיות קוגניטיוויות ומנטליות, בעיות ראייה ועוד. “מכיוון שהפעילות הנמדדת באמצעות ה-fMRI בזמן צפייה בסרטים דומה מאוד בין אדם לאדם, שימוש בשיטה יאפשר להשוות בין תמונת המוח של אנשים בריאים לזו של אנשים הסובלים מפתולוגיה מוחית. התחלנו כבר לבדוק זאת באוטיסטים, ומצאנו אצלם בזמן הצפייה בסרט תמונת מוח שונה לחלוטין מזו של אנשים נורמלים”, אומר מלאך.

מדעני מכון ויצמן חשפו את הדרך שבה מתבצע תיחול ארוך טווח של “מיקרו-מעבדים” במוח
26/3/04

תעלול חזותי ידוע מתחולל כאשר אנו מביטים בריבוע, שמתחלף לפתע במלבן מוארך. בפועל, הריבוע נמחק והמלבן מופיע, אבל לנו נראה שהריבוע מתארך בהדרגה עד שהוא הופך למלבן.

מדוע זה קורה? מה זה אומר על יכולתו של המוח לנתח, לעבד ולהבין את המציאות לאשורה, על-פי הנתונים שמועברים אליו מאיברי החישה, כגון העין? פרופ' עמירם גרינולד מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, גילה באחרונה מה גורם למוח לטעות בהבנת המציאות של הריבוע המתחלף במלבן. ממצא זה, שיש לו השלכות מרחיקות לכת על אסטרטגיות עיבוד הנתונים במוח, פורסם היום בכתב העת המדעי Nature.

מחקר זה מהווה ציון דרך במאמץ מדעי מתמשך לפיענוח הצופן העצבי של המוח, דבר שיאפשר להבין את עקרונות הפעולה הבלתי ידועים של “מערכת ההפעלה” של המוח. פרופ' גרינולד אומר שפיענוח הצופן העצבי יביא לקפיצת מדרגה בחקר המוח, בדומה להתפתחות המהירה שחלה בביולוגיה המולקולרית בעקבות פיענוח הצופן הגנטי. הדימות האופטי תורם גם לפיתוח עידן חדש בתחום הרפואה.

בעבר גילה פרופ' גרינולד כי קבוצות תאים המעבדות נתונים שונים במוח, מאורגנות בהקשרים גיאומטריים קבועים, כלומר, שעיבוד המידע במוח מתבסס על חלוקה גיאומטרית-מודולרית של קבוצות תאים מוגדרות, החוזרת על עצמה שוב ושוב. כך, לדוגמה, קבוצת תאים העוסקת במטלה ייחודית יוצרת מבנה מרחבי אופייני, המשתלב – תוך שמירה על הקשר גיאומטרי קבוע – במבנה אחר, שנוצר על ידי קבוצת תאים אחרת, המטפלת בעיבוד חלקים אחרים של המידע. למשל, כאשר המוח קולט מידע חזותי, קבוצות התאים המעבדות את ממד העומק משתלבות כמעין לבני משחק לגו, או תצרף (פאזל) בקבוצות תאים העוסקות בעיבוד צבע, ובקבוצות תאים אחרות המעבדות את נתוני הצורה.
השילוב הגיאומטרי-מודולרי המדויק, החוזר ונשנה של כל מרכיבי ה”תצרף” האלה, יוצר במוח מעין מערך אדיר של “מיקרו-מעבדים” זהים במבניהם ובצורתם. מעבדים כאלה מכסים את כל שדה הראייה, כשהם מפרקים את התמונה למרכיביה השונים (עומק, תנועה,
צבע ותכונות חזותיות אחרות), מעבדים כל תכונה בנפרד ולאחר מכן בונים, את תפיסת הראייה באזורים עילאיים במוח.

תגלית זו, וכן גם תגליות נוספות, בוצעו באמצעות מערכת ייחודית לדימות אופטי שפיתח פרופ' גרינולד. המערכת מבוססת על מצלמה מהירה ורגישה במיוחד ועל סדרה של צבעים שפותחה במעבדתו של גרינולד בידי הכימאית ד”ר רינה הילדסהיים. צבעים אלה, הנצמדים לקרום תאי המוח החיים, משנים את עוצמת זריחתם (פלואורסצנסיה) על-פי רמת פעילותם של התאים. המצלמה המהירה מסוגלת להבחין בשינויי הצבע האלה, וכך יכולים החוקרים לדעת איזה תא “יורה” אות עצבי חשמלי, ומתי בדיוק הוא עושה זאת. היתרון העיקרי בשיטת צפייה זו מתבטא בכך שהיא מאפשרת לקלוט את הפעילות החשמלית של מיליוני תאים יחד, בזמן אמת, במקום לבצע מעקב אחר כל תא עצב בודד באמצעות מגע חשמלי (אלקטרודה). עיבוד הנתונים הנאספים במערכת זו מאפשר לחוקרים למפות במדויק את פעילות המערכים התפקודיים של רשתות העצבים במוח.

ייחוד חשוב נוסף של המערכת והשיטה שפיתח פרופ' גרינולד, מתבטא בכך שהיא מאפשרת להבחין בפעילויותיהם של תאי העצב במוח גם כשהם עוסקים ב”תיחול” (Priming) של שיגור אותות עצביים. במלים אחרות, המערכת אינה מוגבלת להבחנה דו-ממדית צרה בין תא ש”יורה” אות עצבי (אות על-ספי) לתא שאינו “יורה” (מצב תת-ספי), אלא היא מסוגלת להבחין במצבי ביניים רבים המתחוללים מתחת לסף השיגור של האות העצבי. יכולת זו איפשרה לפרופ' גרינולד ולחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, לזהות מצבים שונים של תאים, שלכל אחד מהם חסרה כמות שונה של פעילות כדי להגיע לסף שממנו התא “יורה” ומשגר אות עצבי חשמלי אל חבריו ברשת. כך עלה בידם למפות מחדש את קבוצות התאים האחראיות לניתוח הנתונים של תופעות חזותיות שונות (תנועה אנכית, תנועה אופקית, צבע, ועוד).

כאן אפשר לחזור לתעלול החזותי שבו פתחנו. מה גורם למוח “לחשוב” שהעין צפתה באירוע של תנועה, שהריבוע מתארך בהדרגה והופך למלבן? החוקרים הבחינו בסף מדורג שתמונת הריבוע יוצרת בקליפת המוח, דבר שגורם לכך שהמרחק עד הסף הקריטי (לשיגור אותות עצביים) הולך וגדל בהדרגה, ככל שמתרחקים ממקום הפעילות העל-ספית של הריבוע עצמו. עם הופעת המלבן המוארך מופיעה פעילות נוספת שחוצה את הסף

בהדרגה, ככל שמתרחקים מהמוקד הראשוני. לכן נוצרת אשליה של תנועה. באיזו חוליית עיבוד במוח, בדיוק, מתחולל ה”כשל” הזה בעיבוד המידע? מדענים רבים סברו שעיבוד תכונת התנועה נעשה בקבוצת תאים המצויה ב”עומק” מערכת עיבוד נתוני הראייה במוח, שעד כה התגלו בה לא פחות מ- 36 תחנות עיבוד הפועלות בזו אחר זו. אבל הודות לשיטת הדימות האופטי הייחודית שפיתח פרופ' גרינולד, עלה בידו לגלות, שתחנת העיבוד הזאת מצויה דווקא באחת מהשכבות הראשונות של מערך עיבוד הנתונים במוח. כדי לצפות ישירות בסרט המראה הן את האשליה האופטית והן את תוצאות הדימות האופטי ראו בקישור זה.

————

מחקריו בתחום חקר המוח זיכו את פרופ' גרינולד, באחרונה, בפרס דן דוד שיוענק לו בקרוב במעמד נשיא המדינה, משה קצב. פרופ' גרינולד הוא הישראלי הראשון הזוכה בפרס בין לאומי יוקרתי זה. פרס דן דוד, המנוהל ע”י אוניברסיטת תל-אביב, ניתן על הצטיינות בולטת ורבת הישגים, מקוריות, יצירתיות, פריצת תחומים, תרומה לאנושות ובתחום חקר המוח התחרו עליו עשרות מועמדים מ-17 מדינות. בוועדת ההיגוי של הפרס חברים, בין היתר, פרופ' איתמר רבינוביץ', נשיא אוניברסיטת תל-אביב, ד”ר ברוס אלברטס, נשיא האקדמיה הלאומית למדעים של ארה”ב, פרופ' יהושע יורטנר, לשעבר נשיא האקדמיה הישראלית למדעים, וד”ר הנרי קיסינג'ר, לשעבר מזכיר המדינה של ארצות-הברית.