פרספקטיבות על המוח

כרגיל, הגורם העיקרי להתקדמות במדעי הטבע הוא התפתחויות מתודולוגיות. כמובן שהתפתחויות קונספטואליות באות והולכות במקביל, אבל אני חושב שההתרחבות העצומה של תחום מדעי המוח נבעה ממספר פריצות דרך מתודולוגיות ברמה הנמוכה ביותר. אלה היו ההתקדמות בתחום הביולוגיה המולקולרית, ההנדסה הגנטית, שסיפקה מערכות מודל לחקר ההתפתחות לחקר מחלות מסוימות.

טכניקות אלה גם סיפקו כלים בעלי ערך רב לזיהוי ביוכימי ומולקולרי של נוירונים. למדנו על מידה מסוימת של גיוון של נוירונים זהים לכאורה מבחינה מורפולוגית שניחנים במנגנונים מולקולריים שונים. את כל זה אנו חייבים להתפתחות הביולוגיה המולקולרית.

גורם חשוב שני לדעתי היה הפיתוח של טכנולוגיות הדמיה לא פולשניות, כי זה איפשר לנו להעביר מספר רב של מושגים שפותחו בניסויים בבעלי חיים לחקירות בבני אדם. אז זוהי טומוגרפיית פליטת פוזיטורית הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית.

כמו כן, הכנסת ההולוגרפיה המגנטו-אנס, שאפשרה רזולוציה מרחבית טובה בהרבה לניתוח הפעילות החשמלית במוח, הובילה להתרחבות משמעותית בתחום. אז אני חושב שגורם לא מבוטל היה הזמינות, הזמינות הגוברת של כוח מחשב מסיבי מכיוון שכאשר הנוירוביולוגיה החלה ליישם טכניקות רישום מרובות אתרים, שאני מחשיב חיוניות לניתוח מאפייני רשת הנוירונים, הנתונים נעשו מורכבים יותר ויותר ויותר וזה הפך לבלתי אפשרי פשוט להעריך את הנתונים על ידי התבוננות בהם כמו בתקופה הקלאסית כשהתחלתי בתחום. לא היו מחשבים. היינו צריכים לבצע ניתוח מתאם צולב על ידי חיתוך רצועות נייר ארוכות והעברתן על הרצפה.

כך שהזמינות של כוח המחשוב קידמה מאוד לפחות את הפיזיולוגיה של המערכות. אני חושב שהייתה לזה השפעה גדולה על ההתפתחויות הללו. ואחרון חביב, הזמינות של מתקני מחשב אלה אפשרה לנו גם לטפל בתכונות של רשתות עצביות ברמה התיאורטית.

הדינמיקה המוצגת על ידי רשתות עצביות היא כה מורכבת שרק מחקרי מודלים וגישות תיאורטיות מציבים אותנו בעמדה לנסח השערה מושכלת. כמו כן, לחיפוש קודים עצביים, איננו יכולים להמשיך ללא כלי החיפוש הללו. אז אני חושב שבסך הכל ההתפתחויות המתודולוגיות הללו היו אחראיות להתרחבות הגדולה של מדעי המוח, שלדעתי היא חסרת תקדים בכל דיסציפלינה מדעית.

בכל הנוגע למחקר שלי, יש שני חלקים בביוגרפיה שלי. בתחילה חקרתי תהליכים התפתחותיים במוח. התעניינתי במיוחד בתהליכים התפתחותיים שעוצבו על ידי חוויה לאחר הלידה.

והרציונל לגישה הזו היה שהרגשתי שהארגון של המוח הבוגר הוא כל כך מורכב שכדאי שנלמד את העקרונות ההתפתחותיים וננסה להבין מהם ולנסות להסיק מה יובילו בסופו של דבר תהליכי ההתפתחות האלה. אבל אז ממצא מקרי שקרה בעצם במעבדה הזו שבה אנחנו יושבים שינה את חיי כי גיליתי בלי משים שתאי עצב בקליפת המוח הראייתית הראשונית של גורי חתולים שהיו ערים למעשה ישבו על השולחן מאחוריי וצפו בסורג נסחף, נכנסו לפעילות תנודתית סינכרונית מאוד שלא יכולתי לייחס לא לגירוי ולא למתג הראשי בגרמניה הם 50 מחזורים כי זו הייתה תנודה בטווח של 40 הרץ. וכך ראיתי לראשונה שתאי עצב מפוזרים מרחבית יכולים לתאם את פעילותם בדיוק גבוה מאוד בטווח אלפיות השנייה על פני מרחקים גדולים למדי.

וזה עורר את הרעיון שאולי הזמן משמש כמרחב קידוד לתיאום תגובות עצביות מבוזרות. ומצאתי את האפשרות הזו כל כך מעניינת שהחלטתי להזניח את התחום האהוב כל כך של נוירוביולוגיה התפתחותית ולהשקיע את מירב המאמצים שלנו בניתוח נוסף של התופעה הזו. וזה עכשיו לפני כמעט 15 שנה או יותר.

ומאז בילינו את רוב זמננו בהקלטות מרובות אתרים ובחיפוש אחר פטנטים זמניים מרחביים ברשתות עצביות מבוזרות, מכיוון שאנו מאמינים שמידע לא רק מקודד בקצב הפריקה של נוירונים כפי שמניחים ומאושרים באופן קלאסי, אלא שמידע נוסף מקודד ביחסים הזמניים המדויקים בין הפרשות הבודדות של תאי עצב לפיהם מתאמים של אגם פאזה אפס. אז צירוף מקרים מדויק הוא כנראה רק קצה הקרחון. אבל טיפ חשוב מכיוון שפעילות סינכרונית מעניינת במיוחד ברשתות עצביות מכיוון שהיא מתפשטת בקלות רבה סנכרון תגובות הוא אמצעי להגביר את הבולטות של תגובות עצביות עם מיקום זמני נהדר.

ניתן לעשות זאת על בסיס ספייק אחר ספייק. וההשערה הראשונית הייתה שסנכרון זה משמש בשלבים היקפיים של עיבוד חושי על מנת ליצור קשרים בין תכונות המעובדות על ידי נוירונים המפוזרים מרחבית. מאז, מעבדות רבות נוספות עסקו בחיפוש אחר תופעות הסנכרון.

זה התחיל, אני חושב, באירופה עם עמיתים כמו RI שיישמו טכניקות EEG כדי להעריך פעילות תנודתית סינכרונית במוח ולקשר את הפעילויות האלה לתפקודים קוגניטיביים. ומאז תפקיד התנודות והסנכרון נדון בצורה מאוד שנויה במחלוקת. ספקות ראשוניים שתופעה זו עשויה להתקיים, הכל הופרך כעת לדעתי, וכולנו עסוקים כעת בחיפוש אחר השלכות תפקודיות.

ויש שפע של השערות לגבי המשמעות של זה. האם הצטברות כמות עצומה זו של נתונים שאנו מתמודדים איתם בימינו ושיש לנו קשיים גדולים מאוד להתמודד איתם משקפת התקדמות אמיתית. זה בהחלט משקף התקדמות מכיוון שאנו לומדים להכיר יותר ויותר עובדות ופרטים על ארגון הנוירונים, רשתות הנוירונים והמוח בכללותו.

וזו תוצאה הכרחית של הגישות האנליטיות הקלאסיות המיושמות במדעי הטבע. מבודדים תת-מערכת ואז מתארים אותה בפירוט רב יותר. אבל זה רק מחצית מהמאמץ המדעי.

מה שאנחנו צריכים גם הוא האסטרטגיה האינדוקטיבית. זו הסינתזה של כל הנתונים האלה. ומה שאנחנו מתמודדים איתו עכשיו הוא שיש לנו כמות עצומה של מילים.

יש לנו אוצר מילים עצום שקשה לזכור, אבל חסר לנו התחביר כדי לחבר את המילים האלה למשפטים בעלי משמעות בתחומים רבים. זה המקרה במיוחד במדעי המוח של המערכות. לכן אנו זקוקים, לדעתי, לתיאוריה נוספת מכיוון שהתנאים נעשו כה מורכבים שתיאורים מילוליים כנראה כבר אינם מספיקים כדי לתפוס או להשיג את התהליך הסינתטי הזה.

אנו זקוקים לתיאורים פורמליים, אנו זקוקים לכלי ניתוח המאפשרים לנו ליצור מודלים וזה דורש חישובים חזקים מאוד. ואז אנחנו צריכים כמובן חושבים סינתטיים. זה כנראה המרכיב החשוב ביותר כרגע.

אנשים שיכולים לאגד כמות גדולה של פרטים להשערות או מושגים משמעותיים. כעת ניתן כמובן לטפח את התהליך הזה על ידי מתן הסביבה המתאימה וברחבי העולם ניתן לראות מאמצים לספק סביבות כאלה על ידי יצירת מוסדות הנקראים בדרך כלל המכון למדעי המוח החישוביים או המכון למדעי המוח התיאורטיים. לעת עתה, רבים מהמקומות הללו עדיין קיימים בשני מקומות גדולים בבידוד ואינם קשורים מספיק למוסדות ניסיוניים.

באופן אידיאלי היינו רוצים לראות שיתוף פעולה הדוק מאוד בין תיאורטיקנים לניסויים, כפי שהיה כל כך פורה בפיזיקה שבה פיזיקאים תיאורטיים ופיזיקאים ניסויים משתפים פעולה באופן הדוק מאוד בחופשיות, מחליפים רעיונות נתונים ועושים זאת ללא קנאה, מה שעדיין לא המקרה בתחום שלנו. אבל אני חושב שהביולוגיה מתקרבת כעת לסף שבו היא בשלה מספיק כדי לתמוך בגישות תיאורטיות בצורה משמעותית. וכאן בפרנקפורט, הקמנו את מכון פרנקפורט ללימודים מתקדמים בדיוק למטרה זו, כי חוויתי שפיזיקאים ומתמטיקאים, תיאורטיקנים באופן כללי, כשהם משובצים במכון הניסיוני, הם נוטים להיות בשוליים.

אין להם מספיק עמיתים לדבר איתם מכיוון שביולוגים בדרך כלל אינם מיומנים בשפה שלהם. ולכן הרעיון היה בואו ניצור מכון שבו מספר מערכות מודל, מערכות מודלים ביולוגיות שהמשותף להן הוא מערכות מרובות רכיבים המחוברים באופן הדוק כמו מערכת הירח או המוח, ייחקרו על ידי תיאורטיקנים, בתקווה שהתיאורטיקנים הללו יגלו עקרונות משותפים במערכות המורכבות הללו של ארגון עצמי ושהם יוכלו לחלוק כלים אנליטיים. יכול לשתף כלים לבניית מודלים. ואני חושב שזה הצליח כי תוך כשנה המכון הזה גדל מאפס ל-120 מדענים.

והמבנה המיוחד של המכון הזה, שאינו מפתיע את עמיתיו באמריקה, אך זה די יוצא דופן באירופה, הוא שהמכון הזה ממומן אך ורק על ידי תורמים מקרנות פרטיות. זה לא מוסד אוניברסיטאי, זה קשור לאוניברסיטה בפרנקפורט, אבל זה מימון בדרך אחרת מהסיבה הפשוטה שאי אפשר היה להקים מפעל בין-תחומי כזה בתוך הפקולטות הקונבנציונליות, כי מה שקורה שם הוא באמת אני המשמעתי, זה חוצה פקולטות ונראה שהם ניתנים למימוש רק על ידי בניין זקוף ובניין משלו ואיסוף אנשים שבאים ממקומות שונים מאוד דיסציפלינות תחת אותה קורת גג. למרות שהמונחים הללו נלקחו ממערכות פיזיקליות בתחילה, הם עדיין תופסים חלק מהמאפיינים של המוח מכיוון שהמוח הוא בבירור מערכת בעלת ארגון עצמי.

אין מוליך במוח שיתאם את כל התהליכים המבוזרים. המוח מתפתח בצורה של ארגון עצמי באמצעות אינטראקציה בין גנים וסביבה. אין מדריך, אין תוכנית, אפריורי.

ולבסוף, המונח חל היטב על מה שאנו רואים במערכות מורכבות כל הזמן, כלומר שמערכות מורכבות נוטות להציג תכונות שלא ניתן לתאר או להסיק מהתכונות של הרכיבים. והמוח הוא דוגמה נחמדה במיוחד לעובדה זו, שאנו יודעים מכל המערכות המורכבות שאין שום דבר מיוחד במוח. משהו מיוחד במוח הוא שיש לנו מצד אחד תהליכים חומריים, אינטראקציות נוירונים שניתן לתאר מנקודת מבט של גוף שלישי כמו כל תהליך אחר בסביבתנו.

והנובעות מהאינטראקציות העצביות הללו הן תופעות נפשיות, תופעות פסיכולוגיות כמו רגשות, מחשבות, החלטות. אז יש מציאויות שהייתי רוצה להתייחס אליהן כמציאויות חברתיות שנוצרות או נוצרות על ידי אינטראקציה בין מוחות שמתקשרים זה עם זה, משקפים אחד את השני, מייחסים תכונות אחד לשני, יכולים להחליף מוחות באנשים, זה לא באמת משנה כי מה שעושה את האדם הוא בסופו של דבר המוח בסביבתו הגופנית ועקב האינטראקציות הללו צצות תופעות שיש להתייחס אליהן כתופעות אמיתיות, הן מציאויות, אבל יש לתאר אותן בשפה אחרת כתופעות שמביאות אותן לידי ביטוי שמקורן, כלומר אינטראקציות עצביות. ולכן אני חושב שזה מקרה קלאסי של הופעה שבו משהו חדש נוצר על ידי מערכת מורכבת, אף אחד לעולם לא יוכל להסיק מהידע, הידע המלא של נוירונים, ואפילו מהידע המלא של רשתות נוירונים, שהם מסוגלים לפתח מערכות ערכים כאשר הם מתקשרים זה עם זה.

אני חושב שהבעיה העיקרית במאמצים שלנו לתקן את המוח, מלבד העובדה שתאי עצב לא מתחדשים בקלות במערכת העצבים המרכזית, הם לא אוהבים להאריך תהליכים ברגע שהם מנותקים מסיבות שאיננו יודעים. אולי לא היה לחץ אבולוציוני של Evo על התפתחות מנגנונים כאלה מכיוון שנזק מוחי שבאמת מוביל למוות של תאים בקנה מידה גדול בדרך כלל לא תואם להישרדות. הבעיה הגדולה בשיקום רשתות נוירונים שנפגעו היא שקשה לסכם את תהליך ההתפתחות.

המוח הבוגר מאופיין במעגלים מתוחכמים ביותר שהתפתחו צעד אחר צעד בתהליך מורכב של ארגון עצמי, המונחה על ידי הדיאלוג בין הגנים והסביבה התאית המובחנת יותר ויותר המשתנה במהלך ההתפתחות. והתהליך הזה הוא בעצם תהליך מלמטה למעלה. מבנים היקפיים מבשילים תחילה, לאחר מכן הם עוברים תקופות קריטיות והקישוריות מתקבעת כך שהשלבים הגבוהים יותר יכולים להסתמך על מה שכבר נבנה ואז הם מארגנים את עצמם כפונקציה של מה שכבר קיים.

והתהליך הזה נמשך בבני אדם עד גיל 20 ואז המעגלים מתגבשים ואז אנחנו צריכים לחיות עם המוחות שיש לנו באותה נקודת זמן. יש שינוי נוסף על ידי למידה וגמישות מוחית, אבל זה מוגבל. עכשיו אם מישהו היה מחליף נוירונים ברמות עיבוד גבוהות יותר, למשל, על ידי הזרקת תאי גזע או כך הנוירונים האלה שאנחנו כבר מכירים, הם יכולים להתמיין, הם הקודמים יכולים להפוך לתאי עצב, אבל הבעיה היא האם הם ימצאו את השותפים שאיתם הם צריכים לתקשר?

האם המידע עדיין יהיה שם שהיה זמין במהלך הפיתוח שהנחה את צמיחת האקסון, שהנחה את היווצרותם של קשרים ספציפיים. ואנחנו יודעים שבמידה רבה, המידע הזה כבר לא זמין כי הגנים שצריך כדי לבטא את מולקולות הסמן הדרושות, הם נכבים ברגע שהפיתוח מסתיים. ומה שכנראה נחוץ הוא שלא רק יספק תאים שיכולים להתמיין לתאי עצב וכמובן גם לתאי ggl, אלא שהוא גם יפעיל או יעזור לאורגניזם להפעיל את הגנים שהיו פעילים במהלך תהליך ההתפתחות שמובילים לביטוי של כל המנגנון המולקולרי הנדרש כדי לומר לתאים עם מי הם צריכים להתחבר, לאן הם צריכים להתחבר.

ומה שכמובן לא ניתן להתקין מחדש בקלות הוא כל החיווט האידיוסינקרטי וההתאמה של המשחק הסינפטי שנובע מתהליכי למידה. לתאי העצב החדשים ששולבו לא תהיה כמובן מזכרת, שום זיכרון של החוויה שהוטבעה במורפולוגיה ובמבנה ובתפקוד של נוירונים שנעלמו. אז יש גבולות מסוימים ליכולת לשחזר.

וכפי שאנו מבינים כרגע, ישנם מקומות מסוימים במוח שבהם נראה שזה מהווה פחות בעיה מכיוון שהטבע חזה התחדשות של נוירונים לכל החיים וככל הנראה שמר על המנגנון הדרוש כדי לקדם את ההתחדשות וההחדרה המתמשכת הזו של נוירונים כמו בהיפוקמפוס ובפקעת הריח. אבל המבנים האחרים שבהם זה כנראה גורם לבעיות גדולות, ההחלפות הראשונות שניסו וזכו להצלחה מסוימת למרות שזה עדיין לא היה משביע רצון, כאשר המערכות המווסתות שבהן הספציפיות הטופולוגית אינה כל כך בעיה. מערכות אלו מתפקדות יותר כמו מערכות אנדוקריניות או פרקריניות המשחררות משדרים מסוימים הנדרשים על מנת לשמור על ריגוש מסוים.

מערכות אלה ניתנות להחלפה בקלות רבה יותר מכיוון שהספציפיות היא פחות בעיה, אבל העתיד יראה כמה רחוק נגיע לשם. בהחלט גישות מבטיחות מאוד בהתקנה מחדש של צמיחת אוקסון במספר חוטי שדרה על ידי עיכוב גורמים המעכבים צמיחה אצל הבוגר ועל ידי הפעלת מנגנונים הנכנסים לפעולה במהלך ההתפתחות ומקדמים צמיחה. ישנן הצלחות מעודדות בתחום זה, אך יש לשקול ברצינות רבה גם את האפשרות של תותבות עצביות לתעד פעילות עצבית ממקומות בהם היא עדיין זמינה ולאחר מכן באמצעות מכשירים מכניים וממשקי מחשב להפעיל שחקנים שיכולים לתרגם פעילות זו לפעולה עבור המערכת המוטורית.

או להיפך, בצד החושי, שתלי שבלול כבר עובדים בצורה מעוררת הערצה. כיום ישנם ניסיונות לפתח שתלי רשתית על מנת להתקין מחדש תפקודי ראייה ראשוניים אצל אנשים הסובלים מניוון רשתית. יש גם אפשרות מבטיחה מאוד להחדיר תעלות ברזל מגודרות אור לתאי רשתית כך שתאים שבדרך כלל אינם רגישים לאור, שהם תאי הגנגליון למשל, או התאים הדו-קוטביים הופכים לרגישים לאור כך שאפשר באופן עקרוני לאחסן תפקוד כלשהו שאובד כאשר קולטני האור מתנוונים פשוט על ידי העברת רגישות לאור לנוירונים מסדר שני או שלישי.

זה כבר אפשרי בניסויים בבעלי חיים. זו עשויה להיות עוד דרך מבטיחה להמשיך בה. אני חושב שלאירופה יש מסורת חזקה מאוד בפיתוח מושגים של סוף המאה ה-19 בהנהגת הדמויות המכוננות שסיפקו את הבסיס לנוירוביולוגיה ניסויית מאוחרת יותר במידה מסוימת.

הם גם הסבים של מספר לא מבוטל של פיזיולוגים של מערכות שהיו פעילים באירופה. אני חושב שיש מסורת טובה במדעי המוח המערכתיים באירופה תמיד הייתה בזמנים שבהם, כאשר תורת המערכות הליניארית הייתה עדיין בשיאה הקיברנטיקה, כפי שהיא נקראה אירופה, היו כמה מעריכים חזקים מאוד כמו rehad למשל. ואז, היה משהו כמו, לא תפנית אייקונית, אלא התפנית המולקולרית באירופה כמו גם בכל מקום אחר, הביולוגיה המולקולרית השתלטה והחליפה רבות מהגישות המכוונות למערכת.

חלקית מכיוון שבהתחלה זה היה זול יותר מאשר לעבוד עם בעלי חיים שלמים, חלקית מכיוון שלא הייתה טכנולוגיה לא פולשנית ואי אפשר היה לעשות דברים מסוימים בבעלי חיים, מה שאפשר לעשות עכשיו בבני אדם. אבל אני חושב שיש רנסנס חזק בפיזיולוגיה של המערכות, למרות שבאירופה אנחנו צריכים להילחם קרב קשה נגד מגיני בעלי חיים בנוגע למחקר ראשוני, זה נושא קריטי אמיתי. המעבדות שיכולות, הן עדיין מקבלות את הרישיון לעבוד עם פרימטים הופכות פחות ופחות ואלה שעדיין מחזיקות ברישיון.

זה המקרה אצלנו, היכן שיש לנו, אנחנו חשופים מאוד לביקורת ציבורית, אבל עדיין מדעי המוח המערכתיים עוברים רנסנס. ואני חושב שיש לכך סיבות טובות מכיוון שנזדקק לזה יותר ויותר כדי להבין את שפע הנתונים שנאספים על ידי תכונות של נוירונים ומעגלים קטנים. ונתונים אלה יכולים להיות משולבים רק אם יש לנו מושגים הנגזרים ממדעי המוח של מערכות על טבע הקוד העצבי, על שיתוף פעולה של אזורים במוח, על תיאום גלובלי של תהליכים, על עיבוד מבוזר.

כל השאלות הללו נדונות בלהט כרגע ואנחנו רק צריכים עוד ניסויים בכיוון הזה. ואני חושב שאירופה נמצאת בעמדה לא רעה לעשות זאת. גם בישראל, אין לשכוח את התרומה, גם התרומה הרעיונית של עמיתינו בישראל, שהיא משמעותית.