פריצת דרך בהבנה של מחלות מוטוריות

הקורטקס בנוי מרשת של נירונים (תאי עצב), ויחידת העיבוד הבסיסית (אבן הבנייה הבסיסית) של רשת עצבית זו היא התא הפירמידלי. מה שמייחד את הרשת העצבית של המוח היא העובדה שהיחידות החישוביות שלה מתוחכמות ביותר, וזאת בניגוד ליחידות הפשוטות שבונות את הרשתות העצביות המלאכותיות שמשמשות לבינה מלאכותית.

כל אחד מהתאים הפירמידליים מקבל אלפי קלטים ומעבד אותם. את התוצר - הפלט - הוא מעביר לאלפי תאי עצב אחרים. לתאי העצב במוח אברונים מיוחדים הקרויים דנדריטים, שבהם מתמקדים מחקריה של פרופ' שילר. אברונים אלה מאופיינים במבנה מורכב ומסועף דמוי עץ, והם המשמשים לקבל ולעבד את הקלטים העצביים המגיעים לתא.

במחקרים קודמים הראתה פרופ' שילר שהדנדריטים אינם סתם "ממסרי מידע" אלא מכונות חישוב מורכבות, וכי הם מאופיינים ביכולות הגבר לא לינאריות ובגמישות רבה החיונית לזיכרון, ללמידה ולעיבוד מידע. במחקר הנוכחי היא התמקדה בתפקידם בתנועתיות של הגפיים בעכברים.

כיום ברור שתנועה היא תהליך נלמד, וכי אנו לומדים תנועות חדשות לא רק בינקות אלא במשך כל החיים. אנחנו יודעים גם שתרגול משפר את יכולת התנועה ושהזנחה פוגעת בה. עם זאת, למרות מחקרים רבים שנערכו בנושא, עדיין אין קונצנזוס מדעי לגבי מנגנון הבקרה המוחי של המוטוריקה. "אחת הסיבות לכך", אומרת פרופ' שילר, "היא מורכבותם של מנגנונים אלה. נתונים חושיים כגון ריח וראייה הם פשוטים יותר, משום שאת הריח אפשר לפרק למולקולות ואת הראייה אפשר לנתח בפשטות יחסית על סמך פיזיקה ופיזיולוגיה של העין. תנועה, לעומת זאת, היא תהליך בעל עושר כמעט אין סופי שקשה מאוד לפרק למרכיביו".

במחקר הנוכחי עקבו החוקרים אחר הפעילות של אותם עצים דנדריטליים, עצים המהווים חלק חיוני של פעילות התאים בקורטקס בשעה שהעכבר לומד לבצע משימות של מוטוריקה עדינה (תפיסת עצם ביד) ושל מוטוריקה גסה (תנועה על הליכון). על-ידי החדרה של חיישנים פלורסנטיים באמצעות נגיפים מהונדסים הצליחו החוקרים לרשום את הפעילות מדנדריטים רבים של תא בודד ברמת רזולוציה שלא הושגה עד כה, ולהצליב פעילות זו עם מדדי התנועה. התוצאה: תמונה מלאה של מבנה הדנדריטים וכן של פעילותו של כל דנדריט ודנדריט בשעת ביצוע המשימה המוטורית. כך מיפו החוקרים את ייצוג המידע המוטורי בכל רגע ואת החישובים הנערכים בדנדריטים.

מתוצאות המחקר עולה כי הנירון הבודד אינו רק שותף ברשת נירונים אלא מהווה רשת משל עצמו - רשת הכוללת בין השאר דנדריטים המדברים זה עם זה. פירוש הדבר הוא שהפעולות השונות בנירון נעשות לא רק על-ידי חיבור קלטים שונים באופן לינארי (בזו אחר זו) אלא בפעילות מקבילית, רב שכבתית - מה שמזכיר כמובן את הקונספט המלאכותי של רשתות נירונים רבודות, שהפך לתחום מחקר תוסס בעשור האחרון בשל יעילותו הרבה בביצוע פעולות שונות של סיווג וזיהוי. ממצאים אלה תומכים בקיומו של קוד קומבינטורי דינמי הקיים בדנדריטים של תא בודד - קוד המאפשר לייצג מספר רב של משתנים מוטוריים בהתאם למטלה המשתנה.

ממצאים אלה מבהירים כיצד הרשת העצבית במוח מסוגלת לשמור פיסות כמעט אינסופיות של מידע וללמוד משימות חדשות תוך אחסון זיכרון ממשימות קודמות. כעת ברור כי היכולת לשמר כמות עצומה של מידע מוטורי נובעת משילוב בין התכונות המורכבות של תאים בודדים מצד אחד ומהמורכבות של הרשת העצבית מצד שני.

פרופ' שילר מציינת כי המחקר הבסיסי המוצג במאמר עשוי לחולל פריצת דרך בהבנה של מחלות מוטוריות כגון פרקינסון. זאת משום שבמחלות אלה קיימת פגיעה בתפקודם של דנדריטים, פגיעה המגבילה להערכת החוקרים את היכולת המוטורית של האדם. נושאים אלה נבדקים כרגע במעבדתה של פרופ' שילר. כך או כך, פריצת הדרך המוצגת במאמר צפויה לחולל שינוי משמעותי בחקר המוח ובהשלכותיו על בריאות האדם.

[למאמר בכתב העת Science]