33
עדכונים

מנוי במייל

קבלת עדכונים על רשומות חדשות ישירות לתיבת האמייל
יש להזין אימייל תקין על מנת להרשם לעדכונים
ברגעים אלו נשלח אליך אימייל לאישור/ביטול ההרשמה
*שים/י לב, מרגע עשית מנוי, כותב/ת הבלוג יוכל לראות את כתובת האמייל שלך ברשימת העוקבים.
X

חופשי ומאושר

היכן נמצאת ציפור הנפש? מחקר ישראלי חדש מחפש את הרשת המודעת של המוח ‏

המוח האנושי הוא אחד המבנים המורכבים ביותר המוכרים לנו בטבע. הוא מורכב בממוצע מכמאה מליארד תאי עצב (נוירונים) וכמאה טריליון קשרים ביניהם. כדי לקבל פרופורציות, חישבו על כך שכמות הנוירונים הממוצעת במוח דומה לכמות הכוכבים בגלקסיית שביל החלב. לפי כל הממצאים שאנו יודעים היום, המוח הוא האחראי על מה שעושה אותנו מי שאנחנו, על המחשבות, הרגשות, הזכרונות, החוויות והדמיונות שלנו. שלא כמו בשיר הידוע, ציפור הנפש לא נמצאת בלב אלא במוח.. אך השאלה כיצד המוח מייצר את התודעה שלנו, כיצד אנו חווים ומודעים לעולם סביבנו וכיצד אנו מודעים לכך שאנחנו קיימים, עדיין נשארה תעלומה גדולה ומעניינת. אנו יודעים לזהות תפקידים של אזורי מוח שונים (למשל אזורי ראיה, דיבור וכדומה), אך כיצד אזורי המוח פועלים בדיוק? וכיצד הרשת המוחית המורכבת הזו משתלבת ויוצרת תכונות חדשות כמו תודעה? עדיין אין לנו מושג. תשובות לשאלות אלו מבחינתי הן המטרה הסופית של חקר המוח והן יהוו קפיצה גדולה בהבנה שלנו לגבי עצמנו ולגבי הטבע הסובב אותנו.

המדע והפיסיקה עובדים לאט, מסע ארוך בו צעד אחר צעד אנו פותרים חידות ומבינים תובנות חדשות על המציאות. הקבוצה לה אני שייך במחלקה לפיסיקה של אוניברסיטת בר אילן, בראשות פרופסור שלמה הבלין ופרופסור ראובן כהן, הוסיפה נדבך קטן בדרך להבנת המסתורין של התודעה במחקר שהתפרסם לאחרונה (אוגוסט 2016) בעיתון המדעי New Journal of Physics. למזלי הטוב המנחים שלי נתנו לי להוביל את המחקר לכיוון מרתק, אנחנו ניסינו להבין מתוך המבנה של הרשת המוחית כיצד המוח מארגן את מידע ועושה לו אינטגרציה וכיצד תכונות חדשות, כמו התודעה, יכולות להיווצר ברשת המוחית. אנחנו חושדים שהצלחנו למצוא את "הרשת המודעת" של קליפת המוח. בעבר פילוסופים שיערו שיש במוח אזור מסויים שהוא האזור המודע, אפשר לחשוב על האזור הזה כמו על אדם קטן שמסתכל על שאר פעילות המוח ומודע לה. הם קראו לאזור הזה בשם הומונוקולוס. אך כיום לאחר שחקר המוח והתודעה התקדמו בצורה משמעותית בזכות השיטה המדעית, אנו יודעים שאין שום הומונוקולוס. אין שום אזור ספציפי שאחראי על התפיסה המודעת. המוח אינו יחידה אחת אלא רשת בה כל חלק אחראי על תפקוד שונה. ממחקרים אנו יודעים שבכל פעם שהמוח מודע לדבר מה (למשל האדם מדווח לנו שהוא שם לב לחפץ מסויים) יש פעילות נרחבת לא בחלק מסויים של הרשת אלא בכל רחבי הרשת. נראה שהתודעה האנושית היא תכונה שנוצרת על ידי הרשת המוחית כולה.

אין במוח אזור ספציפי שאחראי על התפיסה המודעת - אין הומונוקולוס

כדי לחקור מבנים כה מורכבים כמו המוח מדענים משתמשים בשיטות מתמטיות מתקדמות שיצליחו לתאר את המורכבות והתלות הגדולה בין כל חלקי המערכת. אנחנו השתמשנו בתחום מתמטי שנקרא תורת הרשתות. תורת הרשתות הופכת תהליכים מורכבים לרשת בעלת קודקודים וקשרים בין הקודקודים (קשתות). החברים בפייסבוק למשל יכולים להיות מיוצגים כרשת שכזו כאשר כל חבר הוא קודקוד והקשרים בין החברים הם הקשתות ברשת. אנחנו הפכנו את רשת הנוירונים המוחית לרשת שכזו. בעזרת טכנולוגיות דימות מוח (MRI, DTI) מיפינו קבוצות של תאי עצב בקליפת המוח של האדם (האזור הכי מפותח וחדש אבולוציונית במוח) לאלף קודקודים וסיבים של קשרים בין תאי העצב מופו ל-15,000 קשתות (או חיבורים). כך קיבלנו רשת מקורבת של קליפת המוח האנושית עליה יכולנו להפעיל אנליזות מתמטיות שונות.

אנחנו לא הראשונים שמסתכלים על קליפת המוח כרשת. היום כבר ידוע למשל שהרשת המוחית היא רשת מסוג "רשת עולם קטן", רשת בה המידע מגיע במהירות מצד אחד לצד השני של הרשת בעזרת קיצורי דרך רבים. ידוע גם שברשת המוחית יש קודקודים מיוחדים בשם "רכזות". אלו קודקודים שיש להם קשרים רבים (כמו תחנה מרכזית של מידע) ומסתבר שכל הרכזות הללו מחוברות באופן הדוק בינן לבין עצמן דבר הגורם למידע לזרום במהירות ברחבי הרשת המוחית. בעזרת הרשת אנחנו מנתחים את החלקים השונים של המערכת ומנסים להראות כיצד הקשרים הסבוכים ברשת מייצרים תכונות חדשות שאין לקודקודים הבודדים שמרכיבים את הרשת. הרעיון הוא שתכונות גלובליות כאלה יכולות לנבוע (או להפציע) מהפעילות של כל הרשת. התודעה נראית תכונה גלובלית שכזו, היא מאחדת הרבה מידע מוחי לכדי חוויה אחת, ולכן התיאוריות המובילות כיום מניחות שהתודעה לא נמצאת בנוירון אחד או באזור אחד, אלא נובעת מפעילות של כל הרשת המוחית (וכמו שראינו, כך גם מורים הממצאים).

כדי לנסות ולהראות כיצד תכונות חדשות יכולות לנבוע מתוך פעילות של כל הרשת צריך לבדוק לא רק את תכונות הקודקודים הבודדים ברשת אלא גם תכונות של אזורים גדולים יותר המורכבים מקודקודים רבים. לשם כך השתמשנו בשיטה מתמטית בשם K-shell decomposition. שיטה זו בודקת לא רק עד כמה כל קודקוד מחובר לאחרים אלא גם את כל הסביבה של הקודקוד, עד כמה כל הקודקודים בסביבת הקודקוד מחוברים זה לזה. במהלך הבדיקה הזו סביבת קודקודים שלא מחוברת בחוזקה תוסר מהרשת ואילו סביבת קודקודים שמחוברת היטב תשרוד את התהליך (ראו סרטון בסוף הכתבה). כך אפשר לחשוף את המבנים הפנימיים של הרשת, שכבות שונות של חיבוריות, החל מהשכבה הכי פחות מקושרת ועד לשכבה שמקושרת בצורה הטובה ביותר ברשת. לשכבה זו אנו קוראים הגרעין של הרשת. עד היום מדענים הסתכלו רק על הגרעין של הרשת, השכבה הכי מקושרת, ואילו אנו ראינו שכל שכבות הקישוריות ברשת מעניינות. הן מגלות לנו על המבנה הפנימי של הרשת ועל היררכיית עיבוד המידע ברשת. כך גילינו שיש קשר בין שכבת הקישוריות לבין התפקידים המוחיים השונים שהיא מבצעת.

הממצא הראשון שגילינו הוא שכעשרים אחוזים מהקודקודים ברשת קליפת המוח מהווים את גרעין הרשת, כל שאר שמונים האחוזים של הקודקודים ברשת מתחברים בינם לבין עצמם ומקשרים בין כל שכבות הקישוריות השונות של הרשת (ראו תמונה ראשונה – הטופולוגיה של רשת קליפת המוח). מעניין שכאשר משווים בין רשת קליפת המוח לרשתות אחרות, כמו למשל רשת האינטרנט, מגלים הבדלים משמעותיים. ברשת האינטרנט לדוגמה כרבע מהקודקודים הם קודקודים מבודדים שלא נמצאים בגרעין ולא מתחברים לשאר שכבות הקישוריות של הרשת. החיבור היחיד שלהם לשאר הרשת הוא דרך חיבורים בינם לבין קודקודי הגרעין (אלו הם "רגלי המדוזה" שאפשר לראות בתמונה מספר אחת בטופולוגיה של רשת האינטרנט). בקליפת המוח אין כלל קודקודים מבודדים כאלה. נראה שהרשת המוחית שלנו מחוברת בצורה הרבה יותר חזקה מאשר האינטרנט, דבר שהופך אותה להרבה יותר יעילה מרשת האינטרנט.

תמונה 1: המבנה הפנימי של רשת קליפת המוח (אמצע), רשת אתרי האינטרנט (שמאל) ורשת רנדומלית בה ערבבנו באופן מקרי את כל הקשתות של רשת קליפת המוח (ימין). החלק הצהוב מייצג את גרעין הרשת, החלק המקווקוו מיצג את שאר שכבות הקישוריות שנפלו בתהליך חשיפת הגרעין והתחברו ביניהן ו"רגלי המדוזה" מייצגים קודקודים מבודדים (אדום) שנפלו בתהליך אך לא התחברו לשאר השכבות. הם מחוברים לשאר הרשת רק דרך הגרעין. שימו לב שבקליפת המוח אין קודקודים מבודדים (למידע נוסף ראו סרטון בסוף הכתבה).

כאשר מסתכלים על שכבות הקישוריות השונות של הרשת אפשר לזהות שלושה סוגים של שכבות. שכבות קישוריות שמקושרות בצורה חלשה יחסית, שכבות קישוריות שמקושרות בצורה די חזקה וסביבת הגרעין – השכבות שמקושרת בצורה החזקה ביותר ברשת. מסתבר שכל סוג כזה של שכבת קישוריות אכן עושה תפקידים אחרים ברשת. נראה שאנו רואים כאן את היררכיית עיבוד המידע במוח, כאשר בכל שלב של ההירככיה מתבצעת יותר ויותר אינטגרציית מידע. כך המידע זורם בהיררכיה מהשכבות בעלות הקישוריות החלשה אל השכבות בעלות הקישוריות הטובה ואל הגרעין כאשר בכל שלב עוד ועוד מידע מצטבר ועובר איחוד יותר משמעותי.

לשכבות שמקושרות בצורה החלשה יש תפקידים מאד ספציפיים ברשת, למשל זיהוי פרצופים או זיהוי צלילים. לאחר שאזורים אלו סיימו לבצע חישובים המידע עובר לאזורים המוקשרים בצורה הרבה יותר טובה. אלו אזורים שמבצעים אינטגרציה של המידע הקודם ומחליטים על תגובות. בין האזורים התפקודיים ששייכים לשכבות אלו נמצאים אזורים של זכרון העבודה ואזורים ביצועיים שאחראים על ביצוע מטלות. לבסוף המידע מגיע אל סביבת הגרעין, השכבות המקושרת ביותר ברשת (ראו תמונה שניה, היררכיית איחוד המידע של רשת קליפת המוח).

תמונה 2: היררכיית איחוד המידע ברשת קליפת המוח. בתמונה זו אנו רואים את קליפת המוח אשר מורכבת משני המיספרות, המיספרה ימין והמיספרה שמאל וביניהם חריץ עם אזור פנימי (ראו תמונה שמאלית עליונה, מבט מלמעלה על קליפת המוח). באדום מסומנות שכבות קישוריות חלשות, בירוק מסומנות שכבות בעלות קישוריות בינונית ובכחול מסומנות שכבות בעלות קישוריות חזקה – סביבת גרעין הרשת. תמונה תחתונה בצד ימין מראה את המיספרה ימין (המצח נמצא בצד ימין)  ותמונה תחתונה מצד שמאל מראה את המיספרה שמאל (המצח נמצא בצד שמאל). שימו לב שרוב השכבות החלשות נמצאות בתחתית קליפת המוח. ברוב המיספרה שמאל (בה גם נמצאים אזורי השפה והדיבור) הקישוריות חזקה וברוב המיספרה ימין הקישוריות בינונית. תמונה עליונה מצד ימין מראה את אזור "החריץ" שבין שני ההמיספרות (דמיינו שלקחו את המיספרה שמאל מהתמונה התחתונה השמאלית והסירו אותה. החלק שנשאר הוא החלק הפנימי בין שני ההמיספרות). רוב החלק הזה נמצא בגרעין הרשת.  

הגרעין של קליפת המוח מאד מעניין. זהו אינו אזור תפקודי אחד, אלא אזורים שונים שנמצאים בכל רחבי קליפת המוח. ובכל זאת כל האזורים הללו מחוברים בינם לבין עצמם בצורה מאד מאד חזקה. כך הם מסוגלים לבצע את מלוא איחוד המידע האפשרי. בעוד שבשאר שכבות הקישוריות יש בעיקר מבנים קטנים ולוקליים (כמו מערכת כבישים עירונית) גילינו שבגרעין יש בעיקר מבנים  גלובליים (כמו מערכת כבישים בין עירונית מסועפת). נראה שהגרעין הפרוס על פני קליפת המוח כולה מתפקד כיחידה אחת שעושה את מירב איחוד המידע ויכולה לבצע תפקיד גלובלי יחודי (ראו תמונה שלוש, גרעין רשת קליפת המוח).

תמונה 3: גרעין רשת קליפת המוח. אזורים אדומים מייצגים אזורים משותפים שתמיד מצאנו בגרעין הרשת בכל הרשתות השונות שהיו בידינו. אזורי תכלת מייצגים אזורים שאף פעם לא הופיעו בגרעין הרשת. תמונה תחתונה, המיספרה ימין. תמונה עליונה בצד ימין, מבט על. תמונה עליונה שמאלית,  אזור "החריץ" שבין ההמיספרות. שימו לב שכל האזורים שאף פעם לא נמצאים בגרעין הרשת נמצאים רק בהמיספרה ימין!
כאשר משווים בין התמונות רואים שאזוים אלו שייכים לשכבות החלשות והבינוניות.

איזה תפקיד גלובלי יחודי הגרעין יכול לייצר?

ההצעה שלנו היא שהגרעין של קליפת המוח מייצר את התודעה. הוא התשתית המבנית ממנה התודעה יכולה להפציע.
הסרטון "כיצד הרשת המוחית מייצרת תודעה?"
סרטון קצר המדגים רשת של נורות מהבהבות וכיצד תכונה חדשה, שאין לקודקודים הבודדים, נוצרת מתוך פעילות הרשת כולה (מזהים מה רואים?). האם התודעה גם היא תכונה כזו שמפציעה מתוך פעילות הרשת העצבית כולה?

כיום אין תיאוריה מספקת שמצליחה להסביר מהי תודעה וכיצד היא נוצרת, אך כפי שציינתי, התיאוריות שמנסות להסביר כיצד המוח מייצר תודעה מתבססות על כך שהתודעה היא תהליך שמאחד מידע רב לכדי תופעה אחת. אחת מהתיאוריות המובילות כיום המנסה להסביר את היווצרות התודעה נקראת תיאוריית איחוד המידע של פרופסור ג'וליו טונוני מאוניברסיטת  וויסקונסין שבארה"ב. התיאוריה טוענת שכאשר מערכת מאחדת מספיק מידע רלוונטי בשלב מסויים תופיע תכונה חדשה – התודעה (מעבר פתאומי, בדומה למעבר בין נוזל לגז). כדי שתיווצר תודעה צריכים להתקיים שני תנאים, תנאי של איחוד מידע ותנאי של הפרדת מידע. מצד אחד המוח צריך לדעת להפריד את העיקר מהטפל, לחשב ולהתמקד במידע רלוונטי ומצד שני חלקים שונים במוח צריכים לאחד את כל המידע הרלוונטי הזה יחדיו. לפי הצעה זו ישנם במוח אזורים בהם אין תודעה שאחראים על תיפקודים ספציפיים ועל ייצור של מידע רלוונטי ואזורים אחרים שמהווים את מכלול התודעה במוח משום שהם מקבלים את המידע הרלוונטי ומאחדים אותו לכדי חווייה אחת שלמה.

היררכיית המידע שמצאנו בקליפת המוח מתאימה לדרישות של התיאוריות הללו ומראה שאכן ישנם אזורים בעלי תפקידים ספציפיים ואזור עבודה גלובלי ברשת קליפת המוח. שכבות הקישוריות החלשות יותר אינן מודעות, הן מבצעות תפקידים ספציפים ומעבירות את המידע הרלוונטי לגרעין הרשת. הגרעין מאחד את המידע הרלוונטי בעזרת המבנה הגלובלי הייחודי שלו וכך מתפקד כמכלול התודעה של המוח, האזור ממנו תכונת המודעות יכולה לנבוע.

כאשר בודקים את התפקודים המוחיים של אזורי הגרעין, אכן רואים שהם קשורים לפעילויות שכוללות מודעות. הגרעין כולל, לדוגמה, אזורים הפועלים כאשר אנחנו מהרהרים או חולמים בהקיץ. בנוסף, ישנם חוקרים המזהים בדיוק את אזורי הגרעין שמצאנו עם האזורים בהם נוצרת תחושת 'האני' שלנו (למשל פרופסור ג'ורג' נורתהוף מוניברסיטת אוטווה שבקנדה).

ומה השלב הבא?
כעת אפשר להרחיב את הבדיקה לכלל הרשת המוחית ולא רק לקליפת המוח כדי לתאר במדוייק מהם אזורי הגרעין ומהי היררכיית איחוד המידע המוחית כולה. אך הצעד החשוב ביותר יהיה להבין מהי הדינמיקה העצבית שמתרחשת בגרעין ויוצרת את תכונת התודעה.
שאלות מעמיקות דורשות תשובות מעמיקות ובדרך כלל אנו מוצאים את התשובות הללו בתחום הפיסיקה. הכוח של הפיסיקה מגיע מתוך השימוש במתמטיקה ומשוואות בכדי להבין ולחשוף את חוקי הטבע הבסיסיים. אם אנחנו רוצים להבין מהי התודעה וכיצד המוח מייצר אותה אנחנו חייבים להבין מהן המשוואות המתמטיות שמתארות את הדינמיקה של הרשת העצבית. לדעתי, ביום בו נצליח לתאר את תפקוד המוח בעזרת משוואות, נצליח גם להבין מהי התודעה ולפתור את שאלת גוף ונפש.לפרטים נוספים על תורתה רשתות, שיטות החקירה ותוצאות המחקר, בסרטון היכן נמצאת ציפור הנפש? חוקרים ישראלים מחפשים את הרשת המודעת במוח:

למאמר המקורי ב- New Journal of physics

English     

 

 

הוספת תגובה

נשארו 150 תוים
נשארו 1500 תוים

2 תגובות

© כל הזכויות לתוכן המופיע בדף זה שייכות ל freenl אלא אם צויין אחרת