בני אדם תהו זמן רב מתי ואיך אנחנו מתחילים ליצור מחשבות. האם אנו נולדים עם מוח מוגדר מראש, או שדפוסי חשיבה מתחילים לצוץ רק בתגובה לחוויות החושיות שלנו מהעולם הסובב אותנו? כעת, המדע מתקרב לענות על השאלות שהרהרו פילוסופים במשך מאות שנים.
חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז, משתמשים במודלים זעירים של רקמת מוח אנושית, הנקראים אורגנואידים, כדי לחקור את הרגעים המוקדמים ביותר של פעילות חשמלית במוח. מחקר חדש ב מדעי המוח בטבע מגלה שהיריות המוקדמות ביותר של המוח מתרחשות בדפוסים מובנים ללא התנסויות חיצוניות, מה שמרמז על כך שהמוח האנושי מוגדר מראש עם הוראות כיצד לנווט ולתקשר עם העולם.
ברור שהתאים האלה מקיימים אינטראקציה זה עם זה ויוצרים מעגלים שמתגבשים מעצמם לפני שנוכל לחוות משהו מהעולם החיצון. יש מערכת הפעלה שקיימת, שמתגלה במצב קדמון. במעבדה שלי, אנו מגדלים אורגנואידים במוח כדי להציץ לתוך הגרסה הקדומה הזו של מערכת ההפעלה של המוח וללמוד כיצד המוח בונה את עצמו לפני שהוא מעוצב על ידי חוויה חושית."
טל שרף, עוזר פרופסור להנדסה ביו-מולקולרית בבית הספר להנדסה בסקין והמחבר הבכיר של המחקר
בשיפור ההבנה הבסיסית שלנו לגבי התפתחות המוח האנושי, ממצאים אלה יכולים לעזור לחוקרים להבין טוב יותר הפרעות נוירו-התפתחותיות, ולהצביע על השפעתם של רעלים כמו חומרי הדברה ומיקרו-פלסטיק במוח המתפתח.
לימוד המוח המתפתח
המוח, בדומה למחשב, פועל על אותות חשמליים – ירי של נוירונים. כאשר האותות הללו מתחילים להידלק, וכיצד המוח האנושי מתפתח, הם נושאים מאתגרים עבור מדענים לחקור, שכן המוח האנושי המתפתח מוקדם מוגן בתוך הרחם.
אורגנואידים, שהם מודלים תלת מימדיים של רקמות שגדלו מתאי גזע אנושיים במעבדה, מספקים צוהר ייחודי להתפתחות המוח. קבוצת Braingeneers ב-UC Santa Cruz, בשיתוף עם חוקרים ב-UC San Francisco ו-UC Santa Barbara, הם שיטות חלוציות להגדלת המודלים הללו ולקחת מהם מדידות כדי לקבל תובנות לגבי התפתחות המוח והפרעות.
אורגנואידים שימושיים במיוחד להבנה אם המוח מתפתח בתגובה לקלט חושי – כפי שהם קיימים במעבדה ולא בגוף – וניתן לגדל אותם בצורה אתית בכמויות גדולות. במחקר זה, החוקרים הניעו תאי גזע ליצור רקמת מוח, ולאחר מכן מדדו את הפעילות החשמלית שלהם באמצעות שבבים מיוחדים, בדומה לאלו המפעילים מחשב. הרקע של שרף הן בפיזיקה יישומית, בחישוב והן בנוירוביולוגיה מהווים את המומחיות שלו במודלים של המעגלים של המוח המוקדם.
"מערכת אורגנואידית המנותקת באופן מהותי מכל קלט חושי או תקשורת עם איברים נותנת לך צוהר למה שקורה בתהליך ההרכבה העצמית הזה", אמר שרף. "את תהליך ההרכבה העצמית הזה קשה מאוד לעשות עם תרבית תאים דו-ממדית מסורתית – אתה לא יכול לקבל את מגוון התאים ואת הארכיטקטורה. התאים צריכים להיות בקשר אינטימי אחד עם השני. אנחנו מנסים לשלוט בתנאים ההתחלתיים, כדי שנוכל לתת לביולוגיה לעשות את הדבר הנפלא שלה".
ייצור דפוסים
החוקרים צפו בפעילות החשמלית של רקמת המוח כשהם מתאספים בעצמם מתאי גזע לרקמה שיכולה לתרגם את החושים ולייצר שפה ומחשבה מודעת. הם גילו שבתוך החודשים הראשונים להתפתחות, הרבה לפני שהמוח האנושי מסוגל לקלוט ולעבד מידע חושי חיצוני מורכב כמו ראייה ושמיעה, התאים שלו החלו באופן ספונטני לפלוט אותות חשמליים האופייניים לדפוסים העומדים בבסיס תרגום החושים.
במהלך עשרות שנים של מחקר במדעי המוח, הקהילה גילתה שנירונים יורים בדפוסים שאינם רק אקראיים. במקום זאת, למוח יש "מצב ברירת מחדל" – מבנה בסיסי לירי נוירונים אשר הופך ספציפי יותר ככל שהמוח מעבד אותות ייחודיים כמו ריח או טעם. מצב רקע זה מתאר את הטווח האפשרי של תגובות חושיות שהגוף והמוח יכולים לייצר.
בתצפיות שלהם על קוצים של נוירונים בודדים במודלים האורגנואידים המרכיבים את עצמם, שארף ועמיתיו מצאו שלדפוסים הנצפים המוקדמים ביותר הללו יש דמיון בולט עם מצב ברירת המחדל של המוח. אפילו מבלי שקיבלו שום קלט חושי, הם יורים רפרטואר מורכב של דפוסים מבוססי זמן, או רצפים, שיש להם פוטנציאל להתעדן עבור חושים ספציפיים, שרומזים על תוכנית מקודדת גנטית הטבועה בארכיטקטורה העצבית של המוח החי.
"המערכות המאורגנות בעצמן באופן מהותי יכולות לשמש בסיס לבניית ייצוג של העולם סביבנו", אמר שרף. "העובדה שאנו יכולים לראות אותם בשלבים המוקדמים הללו מעידה על כך שהאבולוציה מצאה דרך שמערכת העצבים המרכזית יכולה לבנות מפה שתאפשר לנו לנווט ולקיים אינטראקציה עם העולם."
הידיעה שהאורגנואידים הללו מייצרים את המבנה הבסיסי של המוח החי פותחת מגוון אפשרויות להבנה טובה יותר של התפתחות נוירו-עצבית אנושית, מחלות והשפעות של רעלים במוח.
"אנחנו מראים שיש בסיס ללכידת דינמיקה מורכבת שכנראה יכולה להיות חתימות של התחלות פתולוגיות שנוכל לחקור ברקמה אנושית", אמר שרף. "זה יאפשר לנו לפתח טיפולים, לעבוד עם קלינאים ברמה הפרה-קלינית כדי לפתח תרכובות, טיפולים תרופתיים וכלים לעריכת גנים שיכולים להיות זולים יותר, יעילים יותר, תפוקה גבוהה יותר."
מחקר זה כלל חוקרים מאוניברסיטת UC סנטה ברברה, אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, אוניברסיטת ג'ונס הופקינס, המרכז הרפואי האוניברסיטאי המבורג-אפנדורף ו-ETH ציריך.
