להרמפרודיטיות התולעת העגולה C. elegans יש סף כאב נמוך יותר מזה של הזכרים, הבדל אשר יכול להיות מוסבר בשוני בין המינים בחיווט של תאי העצב. בשילוב של עבודה ניסויית ומודל חישובי פיענחנו את הרשת העצבית עד לרמת הקשר הבודד, ועל ידי הוספת קשר עצבי אחד בלבד הורדנו את סף הכאב של הזכרים!

מאת ידידות העמותה לדה פצ'וק וגל גולדמן, מובילות המחקר

יש בטבע דוגמאות רבות להתנהגויות ותכונות שהן ייחודיות למין אחד ואינן נמצאות במין השני. למשל זנבו של הטווס – לזכר זנב צבעוני, גדול ומפואר, ואילו זנב הנקבה אפור, קטן ולא בולט. תכונות ייחודיות למין אחד נועדו לרוב לספק צרכים ייחודיים למין זה: הטווס הזכר צריך את זנבו המפואר כדי לחזר אחר הנקבות, צורך שנחסך מהטווסה, שמסתפקת בזנב פשוט [1].

אך לפעמים יש הבדלים בין המינים גם בהתנהגויות ותכונות ששני המינים צריכים. כך, מצאנו שאצל התולעת Caenorhabditis elegans יש הבדל בין שני המינים בסף הכאב. לתולעת זו אין זכר ונקבה, אלא זכר והרמפרודיטית. הזכר מייצר תאי זרע בלבד, בדומה לנו, וההרמפרודיטית מייצרת גם תאי זרע וגם תאי ביצית, ויכולה לעבור הזדווגות עצמית ללא צורך בתולעת נוספת. בעוד שני המינים בורחים מגירויים מכאיבים בעוצמה גבוהה, רק ההרמפרודיטיות בורחות בתגובה לגירויים בעוצמה נמוכה יותר. (תוצאה זו חזרה על עצמה גם בסוגי תולעים שבהם יש נקבות ולא הרמפרודיטיות.)

התולעת C. elegans היא חיית מודל נפוצה בתחומים של מדעי המוח, גנטיקה, ביולוגיה התפתחותית ועוד. לתולעת זו יש מגוון של התנהגויות פשוטות ומאופיינות היטב. בנוסף, זוהי החיה הראשונה, והיחידה עד כה, שבה מופתה החיבוריות של כל תאי העצב בשני המינים [2]. תאי עצב מתקשרים דרך הסינפסות (החיבורים) ביניהם, והאופן שבו התאים מחוברים זה לזה משפיע על התפקוד שלהם. מפות החיבוריות של תאי העצב במוחם של ההרמפרודיטית והזכר מאפשרות לנו לשאול: כיצד חיווט שונה של תאי עצב יוצר התנהגויות שונות? ובאופן ספציפי, כיצד נוצר ההבדל בסף הכאב בין שני המינים של התולעת?

ראשית שללנו את האפשרות כי מקור ההבדלים ההתנהגותיים בין המינים הוא ברמת החישה של הגירוי המכאיב: ניסויים שביצענו הראו שההרמפרודיטיות והזכרים חשים את הגירויים בעוצמה זהה. לכן, הנחנו שהמקור להבדל הוא בעיבוד שונה של המידע בשכבות עמוקות יותר ברשת העצבית. בנינו מודל חישובי שמבוסס על החיבוריות הידועה של ההרמפרודיטית והזכר. במודל, חיבוריות שונה של התאים הספיקה כדי לשחזר את ההבדלים ההתנהגותיים בין המינים (ספי הכאב השונים). לאחר שביססנו בעזרת המודל שהחיבוריות השונה בכל מין יכולה להיות הגורם להבדלים בהתנהגות, שאלנו: האם על ידי שינוי בחיבוריות נוכל לגרום לשינוי בהתנהגות?

בעזרת המודל חזינו כי לקשר מסוים, אשר קיים רק בהרמפרודיטיות, יש תפקיד דרמטי ביצירת ההבדל ההתנהגותי בין הרמפרודיטיות וזכרים. כדי לבחון זאת יצרנו במעבדה זן מהונדס גנטית של התולעת, שבו הוספנו לזכרים את הקשר "ההרמפרודיטי" באופן מלאכותי. כפי שחזה המודל, הוספת קשר עצבי בודד זה שינתה את סף הכאב של הזכרים המהונדסים והגבירה את תגובת הבריחה שלהם לרמה שהזכירה את תגובת ההרמפרודיטיות.

נותרה השאלה, מדוע קיים הבדל בסף הכאב בין שני המינים אף כי שניהם צריכים להימנע מגירויים מסוכנים כדי לשרוד. בדוגמת הטווס, בהתאם לתאוריית ההכבדה [1], זנב הזכר חשוב למטרות רבייה, וככל שיהיה גדול ומרשים יותר הוא ימשוך יותר את תשומת הלב של הנקבות, אך במקביל הוא גם ימשוך את תשומת ליבם של טורפים ויסכן את הטווס. כך פועלים על הטווס שני כוחות מנוגדים – העלאת סיכויי הישרדותו מול תנאי הסביבה (ברירה טבעית) מצד אחד, ושיפור סיכוייו להזדווג ולהוריש את הגנים שלו לדורות הבאים (ברירה זוויגית / מינית) מצד שני. שיערנו כי על זכר התולעת פועלים לחצים דומים, מכיוון שבשונה מן ההרמפרודיטיות, הוא זקוק לבת-זוג כדי להתרבות. אם כך, למרות שסף כאב נמוך יעלה את סיכוייו לשרוד, הוא יפגע בסיכוייו למצוא זיווג.

כדי לבחון תאוריה זו, מדדנו את הזמן שדרוש לזכרים כדי למצוא הרמפרודיטיות תוך כדי חשיפתם לגירויים מכאיבים. מצאנו כי משך הזמן הדרוש לזכרים המהונדסים כדי להגיע אל ההרמפרודיטיות ארוך במידה משמעותית מן הזמן הדרוש לזכרים הרגילים.

לסיכום, הראינו שהתנהגות מושפעת מהקישוריות של הרשת העצבית, ואף משינוי קשרים בודדים. ההצלחה לתכנת מעגל ביולוגי וכך לשנות התנהגות בעזרת הבנה מתמטית יכולה להיות רלוונטית בעתיד לבניית מערכות מלאכותיות אשר יחקו  את פעילות המוח. בנוסף, ראינו כי קיימים הבדלים בין המינים גם בהתנהגויות ששני המינים צריכים כדי לשרוד, כמו הימנעות מכאב, הבדלים שנותנים מענה לצרכים המסוימים של כל מין. המחקר מעמיק את הידע על המנגנונים האחראים להבדלים בתפיסת כאב בין המינים, הבדלים שאנחנו מכירים גם מחיות מורכבות הרבה יותר, בין היתר בני אדם [4].

במקרה שלנו, גילינו כי עבור זכר התולעת  no pain = gain.

לדה פצ'וק וגל גולדמן הן דוקטורנטיות במחלקה למדעי המוח במכון ויצמן, במעבדותיהם של ד"ר מיטל אורן-סויסה ופרופ' אלעד שניידמן.
עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

[1] הטווס ועיקרון ההכבדה – פוסט של מדע גדול, בקטנה

[2] המאמר על מיפוי הרשתות העצביות של שני מיני התולעת

[3] המאמר שעליו מבוססת כתבה זו

[4] מאמר על הבדלים בין המינים בעיבוד כאב