טייסים לומדים כיצד להתמודד עם אובדן פתאומי של חוש הכיוון האנכי (ורטיגו). אובדן כיוון זה, המונע מהם להבדיל בין מטה למעלה, עלול לגרום לתאונה. מצב דומה, אך מסוכן הרבה פחות, מוכר לנו מחיי היום-יום: תחושת הבלבול המתלווה ליציאה מתחנת רכבת תחתית בעיר גדולה, עד שחוש הכיוון מתאושש לאחר מספר רגעים. המדענים סבורים כי בשני המקרים, תקלה זמנית במעגל במוח המתפקד כמצפן תלת-ממדי היא ככל הנראה הגורם לאובדן הכיוון.

מדעני מכון ויצמן למדע הראו, לראשונה, כי מצפן תלת-ממדי אכן קיים במוחם של יונקים. את המחקר ביצע תלמיד המחקר ארסניי פינקלשטיין, במעבדתו של פרופ' נחום אולנובסקי מהמחלקה לנוירוביולוגיה, יחד עם ד"ר דורי דרדיקמן, ד"ר אלון רובין, ג'ייקוב פורסטר וד"ר ליאורה לס. כפי שהתפרסם בשבוע שעבר בכתב-העת המדעי Nature, הראו המדענים כי תאי עצב מסוימים במוחם של עטלפים חשים לאיזה כיוון נוטה ראשו של העטלף, ועשויים, עקב כך, לסייע בניווט במרחב.

הניווט במרחב מתבסס על זיכרון מרחבי, כלומר, חוויות מן העבר של מקומות שונים, וזיכרון זה מאוחסן בעיקר במבנה ההיפוקמפלי (hippocampal formation), אזור הנמצא במעמקי המוח. ביונקים, שלושה סוגי תאים, השוכנים בחלקים שונים של המבנה ההיפוקמפלי, מהווים את שלושת המרכיבים העיקריים של מערכת הניווט במוח: תאי "המקום" ותאי "הסריג" - הפועלים כמו ג'י-פי-אס, המאפשר לחיה לקבוע את מיקומה, ותאי "כיוון הראש" - המגיבים לכיוון מסוים של פניית הראש. מחקר רב התבצע על תאי המקום והסריג, והמדענים שגילו את התאים האלה זכו בפרס נובל לרפואה בשנת 2014. אך עד לאחרונה, פעילות תאי כיוון הראש נחקרה רק בשני ממדים, ורק בחולדות, ומעט מאוד היה ידוע על האופן שבו מעבד המוח תנועות ראש בשלושה ממדים.

כדי לחקור את פעילות תאי כיוון הראש בשלושה ממדים, פיתחו מדעני המכון מערכת מיוחדת, המאפשרת לעקוב במצלמת וידאו אחר תנועות הראש של עטלף בשלוש זוויות - במונחי תעופה, הם מדדו את ה"צידוד", ה"עילרוד" וה"סיבסוב". פעילות תאי העצב של העטלף נרשמה, בעת ובעונה אחת, באמצעות מיקרו-אלקטרודות שהושתלו במוחו. הניטור גילה כי באזור מסוים של המבנה ההיפוקמפלי קיימים תאי עצב המגיבים לזווית תלת-ממדית מסוימת של כיוון הראש. תאים אלה "ירו" - כלומר, שלחו אות - כאשר העטלף כיוון את ראשו באותה זווית.

כמו-כן, חשף המחקר, לראשונה, כיצד מחשב המוח את חוש הכיוון האנכי, ומשלב אותו עם חוש הכיוון האופקי. התברר כי במצפן העצבי, מחושבים שני הכיוונים בנפרד, לפי דרגת מורכבות: באחד מאזורי המוח במבנה ההיפוקמפלי, יורים תאי כיוון הראש רק בהתאם לתנועת העטלף ביחס למשטח האופקי - כלומר ניווט בשני ממדים. לעומת זאת, תאים המגיבים לתנועה בכיוון אנכי, כלומר ניווט בתלת-ממד, נמצאים באזור אחר. המדענים סבורים כי תאי הדו-ממד עשויים לשמש לתנועה במישור, כפי שקורה כאשר אנו נוהגים במכונית. לעומת זאת, תאי התלת-ממד עשויים להיות חשובים בזמן תמרון מורכב במרחב, כאשר חיה מטפסת על ענפי העץ, או כאשר בני-אדם נעים בתוך בניין רב-קומות או מטיסים מטוסים.

בהמשך, ביצעו המדענים ניסויים בעטלפים הפוכים (עם ראשם מטה), ובאמצעות ניטור גילו כיצד בדיוק מחושבים האותות של תאי כיוון הראש במוחו של העטלף. מסתבר כי חישובים אלה נעשים בצורה שאפשר לתאר בעזרת גישה מתמטית יעילה ביותר, המבוססת על שתי קואורדינטות מעגליות (במונחים טכניים, שיטה "טורואידלית"). הודות לשיטה זו, מסוגלים העטלפים לשמור על חוש הכיוון ביעילות, גם אם הם נמצאים עם הראש למטה.

מחקר זה מאשר כי תאי כיוון הראש בהיפוקמפוס משמשים בתור מצפן תלת-ממדי עצבי. המחקר אומנם בוצע בעטלפים, אך המדענים מאמינים כי הוא תקף גם לגבי יונקים שאינם יכולים לעוף, כולל סנאים וקופים שמקפצים בין ענפי העצים, וכן בני-אדם. פרופ' מאי-בריט מוזר, אחת משלושת חתני פרס הנובל לשנת 2014, כתבה במדור News and Views של כתב-העת Nature, שליווה את המאמר המדעי של מדעני המכון: "כעת אפשר ליישם את המודל הזה למינים אחרים שחווים את העולם התלת-ממדי באופן מוגבל יותר".