קבוצת חוקרים גילתה מנגנון חדש באופן העברת האותות החשמליים בין תאי עצב במוח האנושי. מנגנון זה מאפשר לתא עצב בודד לבצע חישובים מורכבים משחשבנו.

התפתחות המוח אצל יונקים בכלל ובני אדם בפרט לאורך האבולוציה הובילה להיווצרות מבנה יוצא דופן במורכבותו  – קליפת המוח – מבנה המורכב ממיליארדי תאי עצב, ומקושר, בין השאר, ליכולות הגבוהות של ההכרה האנושית: חשיבה, דיבור, עיבוד מידע מורכב וקבלת החלטות [1,2]. עם הזמן, התפתחה קליפת המוח האנושית למבנה בעל עובי של כ-3 מ"מ, המורכב מ-6 שכבות תאים לא שוות בעוביין – כאשר שכבות 2 ו-3 גדולות וצפופות מהשאר.

לאחרונה, קבוצת חוקרים בחנה את התכונות החשמליות של שכבות 2 ו-3 בדגימות של קליפת מוח אנושית, וגילתה לראשונה מנגנון העברת מידע המאפשר לקליפת המוח לבצע חישובים מורכבים יותר ממה שחשבנו, כך פורסם לאחרונה [3] בכתב העת Science.

יחידת החישוב הבסיסית של המוח הינה תא העצב. תאים אלו מורכבים מהרבה שלוחות המקבלות אותות מתאי עצב שכנים (דנדריטים), מגוף התא, ומשלוחה דקה וארוכה השולחת אותות חשמליים (אקסון). תאי עצב מתקשרים ביניהם באמצעות חיבורים הנקראים סינפסות – אזורי מפגש בין תא עצב אחד לתא עצב אחר, המאפשרים להם להעביר אותות ביניהם וכך למסור ולעבד מידע במערכת העצבים.

מהי חוקיות העברת המידע בין תאי עצב? בפשטות, במידה ותא עצב מקבל גירויים חשמליים חזקים ומתואמים מספיק משכניו, ייווצר בדנדריטים שלו דחף חשמלי הנקרא "פוטנציאל פעולה דנדריטי" (Dendritic action potential). ההחלטה האם יווצר או לא יווצר פוטנציאל פעולה דנדריטי תלויה בעוצמת ותזמון הגירויים המגיעים לדנדריטים מתאי עצב שכנים. במידה ועוצמתם גדולה מסף מתח חשמלי מסוים, יווצר פוטנציאל פעולה דנדריטי. פוטנציאל הפעולה הדנדריטי דועך עד להגעתו אל גוף התא, אך במידה ועוצמתו בעת הגעתו לגוף התא גבוהה מסף מתח מסוים - יווצר דחף חשמלי חזק נוסף שינוע דרך האקסון, הנקרא "פוטנציאל פעולה אקסונלי" (Axonal action potential). באמצעות האקסון, התא יכול להעביר את האות לתאים אחרים. מקובל להתייחס לדחף עצבי, אקסונלי או דנדריטי, כאות "בינארי" - אם הגירויים החשמליים עברו את הסף, הוא יווצר, ואם הם לא עברו את הסף, הוא לא יווצר [4]. עקרונות אלו נחשבים בסיסיים במדעי המוח ומהווים בסיס לחוקיות העברת המידע בין תאי עצב, או ליכולת "החישובית" שלהם. עם זאת, אחת הבעיות היא, שכמעט כל המידע בנושא נאסף ממחקרים על מכרסמים, כך שאיננו יודעים בוודאות מה חוקיות העברת המידע במוח האנושי.

על מנת להבין מה מתרחש בקליפת המוח האנושית, השתמשו החוקרים בפרוסות של דגימות מוח שנתרמו מחולי אפילפסיה וחולי סרטן. באמצעות בדיקות אופטיות וחשמליות מתקדמות, אפיינו החוקרים את תכונות העברת האותות החשמליים של תאי העצב משכבה 2-3 בקליפת המוח. להפתעתם, גילו החוקרים מנגנון חדש ביצירת הדחף העצבי בדנדריטים של תאי העצב, מנגנון מתוחכם ומורכב יותר ממה שתועד עד כה במכרסמים ובני אדם.

כאשר נתנו החוקרים גירוי חשמלי לדנדריטים של תאי העצב, הם ראו פוטנציאלי פעולה דנדריטיים קלאסיים: גירוי בעוצמה נמוכה לא הביא להיווצרות פוטנציאל פעולה דנדריטי, אך מרגע שהעוצמה עוברת סף מסוים, כל עוצמה תגרום להיווצרות פוטנציאל פעולה. אולם, בחלק מהתאים הם גילו בדנדריטים דחף עצבי מסוג חדש, המתאפיין בסף עליון - גירוי חזק מדי לא גרם להיווצרות פוטנציאל פעולה, בדיוק כמו גירוי חלש מדי. הדחף העצבי אותו גילו החוקרים, בניגוד לאלו הידועים עד כה, אינו בינארי - מעל או מתחת לסף. לחלופין, הוא "מכוון" למתח מסוים. במילים אחרות, מנגנון זה מאפשר לתא עצב להעביר אות הלאה, רק אם קיבל גירוי דנדריטי בעוצמה מוגדרת: גירוי חלש מידי או חזק מידי לא יאפשר יצירת דחף חשמלי. רק גירוי בעוצמה מסוימת יוכל לעשות כן. 

כדי להבין מה המשמעות החישובית של מנגנון יצירת דחף עצבי זה, יצרו החוקרים מודל ממוחשב של רשת עצבית מלאכותית, שמציית לחוקיות החדשה שגילו. המנגנון החדש אפשר לתא עצב בודד לסכום את האותות שהוא מקבל כדי "להחליט" האם להעביר אות משל עצמו באופן שונה ממה שחשבו שניתן עד כה, ובעצם לבצע ויסות מסויים על הפעילות של עצמו - פעולות שעד כה חשבו שביצוען היה כרוך במעורבות של תאי עצב רבים, ולא ביכולתו של תא העצב הבודד.

כמובן שניסויים נוספים נדרשים על מנת לבדוק שהמנגנון שהתגלה מאפיין גם מוחות בריאים ושלמים וקיים באזורי מוח נוספים. אך אם יתברר כנכון, מסתמן שעד כה לא הערכנו מספיק את היכולת החישובית של תא העצב האנושי, ושתאי עצב מסוגלים לבצע חישובים מורכבים משחשבנו. בנוסף, מעל המחקר מרחפת שאלה גדולה: האם מדובר במנגנון שקיים בבני אדם בלבד? נצטרך להמתין בסבלנות ולגלות.

מקורות:

1. מה הופך את המוח האנושי למיוחד?
2. על האבולוציה של קליפת המוח
3. מחקר חדש גילה ששכבה 2-3 בקליפת המוח מתוחכמת יותר משחשבנו
4. מידע נוסף על תפקיד פוטנציאל הפעולה הדנדריטי