מדי יום, המוח שלנו לוקח אינספור חוויות חולפות – החל מהטיולים על החוף ועד מצגות בעבודה – והופך אותם לזיכרונות ארוכי טווח. איך בדיוק זה עובד נותר תעלומה, אך מדעי המוח מאמינים כי מדובר בתופעה הנקראת משחק חוזר עצבי, בו נוירונים משחזרים במהירות את אותם רצפי הפעלה שהתרחשו במהלך החוויה המקורית. באופן מפתיע, מחליפים עצביים יכולים לקרות גם לפני חוויה וגם אחריה, ומציעים שהם עוזרים באחסון זיכרון וגם בתכנון עתידי.
במחקר חדש, מדעי המוח מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, רשמו פעילות ממאות נוירונים בו זמנית בעטלפים מעופפים בחופשיות. זו הפעם הראשונה שהרכב של נוירונים – ולא רק נוירונים בודדים – נחקר בהופעה בעטלפים כשהם מתעופפים ומתנהגים באופן טבעי. הנתונים סיפקו תובנות חדשות ומפתיעות על רצפי חוזרים עצביים ותטא, תופעה נוספת שלפי ההערכה היא מעורבת בזיכרון ובתכנון.
בעשרים השנים האחרונות אנו רושמים נוירונים בודדים בעטלפים ושואלים את השאלה, 'מתי בעלי חיים עושים דברים מעניינים, מה נוירונים בודדים עושים?' אבל במוח, ישנם תכונות מתעוררות שאתה רואה רק כשאתה מסתכל על הרכבים של נוירונים. במחקר זה התבוננו בשתי התופעות הללו – רצפי משחק חוזרים ותטא – שנראים רק כשאתה עוקב אחר נוירונים רבים בו זמנית. "
מייקל ירטסב, סופר בכיר, פרופסור חבר למדעי המוח וההנדסה הביולוגית וחוקר המכון הרפואי של הווארד יוז ב- UC Berkeley
הבנה טובה יותר של התפקיד של רצפי משחק חוזרים ותטא במוחם של בעלי חיים עלולה לשפוך אור על אופן הנוצרים ומאוחסנים בבני אדם, מה שמאוחסן בבני אדם, מה שעלול להוביל לטיפולים חדשים להפרעות נוירולוגיות כמו מחלת פרקינסון ושל אלצהיימר.
המחקר, שפורסם היום באופן מקוון (9 ביולי) בכתב העת טֶבַענתמך על ידי מענקים ממשרד חיל האוויר למחקר מדעי, המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ מוחי ומשרד המחקר הימי.
'משחק כדור אחר לגמרי'
לימוד רצפי חוזרים עצביים ורצפי תטא הוא מסובך מכיוון שהוא דורש האזנה לעשרות או מאות נוירונים במוח בו זמנית. בעשור האחרון, המעבדה של מייקל ירטסב חלוצה בטכנולוגיות הקלטה עצביות אלחוטיות בעטלפי פרי מצרים, והעניקה לצוותו מבט חסר תקדים במוחם של מומחי ניווט אלה כשהם מזינים בסביבות גדולות.
בעבר, מכשירי ההקלטה האלחוטית הצליחו רק לאתר אותות ממספר קטן של נוירונים בכל פעם. במחקר החדש, המחברים המשותפים של אנג'לו פורלי, Wudi Fan ו- Kevin Qi השתמשו בהצלחה במערכי אלקטרודות סיליקון בצפיפות גבוהה שיכולים לרשום מאות נוירונים בבת אחת מעטלפים מעופפים. אלקטרודות אלה יכולות גם לרשום פוטנציאל שדה מקומי, מדד לפעילות החשמלית הכוללת באזור המוח.
"זה משחק כדור אחר לגמרי להקליט הרכבים גדולים כל כך של נוירונים באופן אלחוטי בחיה מעופפת", אמר ירטסב. "זה מעולם לא היה אפשרי לפני כן."
כדי ללמוד משחק חוזר עצבי ותטא, החוקרים עקבו אחר הפעילות של "תאי מקום", סוג של נוירון שנמצא בהיפוקמפוס של מינים רבים. תאי מקום פרטניים יורים כאשר חיה נמצאת במיקום ספציפי בחלל, ויוצרת מפה מרחבית פנימית של סביבתם.
אנג'לו פורלי, שהוא חוקר פוסט -דוקטורט ב- UC ברקלי אמר כי "אם אתה יודע שתא מקום תואם מיקום ספציפי בחלל, והתא פעיל, אתה יכול להסיק שהמחבט נמצא במיקום זה," אמר אנג'לו פורלי, שהוא חוקר פוסט -דוקטורט ב- UC ברקלי. "אם אתה יכול לעקוב אחר מספר תאים, אתה יכול לדעת את הדרך שהעטלף עשה."
אבל תאי המקום אינם פעילים רק כאשר חיה מסתובבת. ניסויים במכרסמים הראו כי הם מציגים משחק חוזר בהיפוקמפוס במהלך מנוחה, בעיקרם מחזירים באותו רצף כמו שהם עשו במהלך התנועה אך בפורמט דחוס קצר יותר.
מקם תאים במכרסמים מציגים גם דפוסים הנקראים רצפי תטא, המתרחשים במהלך התנועה, ומאמינים כי הם מייצגים את החיה "מבט קדימה" רק כמה צעדים ממיקומה הנוכחי.
"בעבר, תופעות אלה נחקרו בלעדית במכרסמים, כי זה מה שהטכנולוגיה אפשרה. רצינו לגלות אם הן קיימות גם בעטלפים, ואם הם כן, האם הם שונים ממה שאנחנו רואים במכרסמים?" אמר פורלי. "גילינו סדרת הבדלים המאתגרים דגמים מבוססים."
יחידה בסיסית לעיבוד מידע
בניסוי, החוקרים רשמו את פעילות תאי המקום של העטלפים כשהם טסו בחופשיות סביב חדר טיסה גדול וזיהו אילו רצפים של תאי מקום תואמים מסלולי מסלול ספציפיים. לאחר מכן הם הצליחו לזהות אירועים חוזרים, או רגעים שבהם אותם רצפים עצביים התרחשו כאשר העטלפים היו במנוחה.
מרבית מה שאנחנו יודעים על משחק חוזר נאסף מניסויים על מכרסמים במסגרות לא טבעיות, כמו "תיבת שינה", להקלטת אירועים חוזרים בעקבות ריצות התנהגותיות. זה מציג גבולות מלאכותיים בין מצבים פעילים ובלתי פעילים. לעומת זאת, לעטלפים יש תקופות פעילות טבעיות רבות ותקופות מנוחה באותה מפגש ניסיוני, מה שמאפשר לכידת משחק חוזר בתנאים פחות מגבילים. זה הוביל לגילוי כי מחליפים מתרחשים בעיקר דקות לאחר החוויה, ולעתים קרובות במקומות רחוקים ממקום בו התרחשה החוויה.
באופן מפתיע, החוקרים מצאו גם כי אורך אירועי השידור החוזר זה היה זהה לכל מסלולי הטיסה, לא משנה כמה זמן היה הטיסה. בעיקרו של דבר, אם רצף עצבי אחד תואם לטיסה של 10 מטר, ורצף עצבי אחר תואם טיסה של 20 מטר, המחליפים של שני הרצפים היו דחוסים בזמן באותו אורך.
"ראינו שהמחליפים עבור מסלולי מסלול קצרים לעומת ארוכים היו בעלי אותו משך זמן", אמר פורלי. "נראה שמידע נכרת לאותו נתח זמן ללא קשר לאורך החוויה."
החוקרים משערים כי משך הפעלה חוזר קבוע זה עשוי לייצג יחידה אלמנטרית של עיבוד מידע במוח.
"מנקודת מבט חישובית, זה יתרון להפליא לשלוח מנות מידע קבועות", אמר ירטסב. "זה יעיל מאוד כי כל מה שקורא שהמידע הזה יודע שהוא יגיע בגדלים קבועים אלה."
השאלה הבאה של הצוות נוגע לרצפי התטא, סוג של תופעת אנסמבל שלפי ההערכה תומכים בהפעלה חוזרת ולסמוך על תנודות תטא בהיפוקמפוס. עם זאת, בניגוד למכרסמים, עטלפים ובני אדם שניהם חסרים תנודות תטא רציפות, המתרחשות בתדר של כ -8 הרץ, או שמונה פעימות כנפיים בשנייה. מעניין לציין כי החוקרים מצאו פעילות רשת רציפה במהלך טיסה בעטלפים, בדומה לרצפי תטא במכרסמים, אך עם הבדל עיקרי אחד: בניגוד למכרסמים, לרצפים המהירים בעטלפים לא היו קשר לתנודות התטא, אך במקום זאת הובללו ל 8 הרץ של העטלפים.
מרטט של פייקני עכבר ועד מקצבי הדיבור האנושי, יש אינספור התנהגויות אחרות של בעלי חיים המתרחשות בתדרים בסביבות 8 הרץ. החוקרים משערים כי רצפי התטא הללו עשויים לספק מנגנון עצבי אוניברסלי לאופן שבו התנהגויות אלה מסודרות ומכוונות במוח החיה.
"יש משהו בתדירות זו שהוא בכל מקום בין מינים, במיוחד מינים של יונקים", אמר ירטסב. "הממצאים שלנו עשויים לספק את תחילתו של הבנה מכניסטית של הבסיס העצבי של התנהגויות אלה, לא רק אצל חולדות ועטלפים, אלא אולי גם במינים אחרים כמו בני אדם."
תמיכה נוספת במחקר זה סופקה על ידי קרן תאי הגזע של ניו יורק, קרן Vallee והמכון הרפואי של הווארד יוז.
