בכדי לקודד (להצפין) מידע חדש, תאי מוח בהיפוקמפוס מפעילים מנגנון מורכב שבו הגברה של קצב הירי משפיעה על התזמון המדויק של הירי, כך עולה ממחקר חדש שפורסם בכתב העת היוקרתי Science בהובלת פרופ׳ ערן שטרק מחוג סגול לנוירוביולוגיה. להבנת תהליכי קידוד המידע במוח יש חשיבות כדי שנדע כיצד 'לתקשר' עם המוח – למשל במקרה של יד או רגל תותבת שנרצה שתתחבר למוח ותופעל על ידו. "המחקר החדש מראה לנו שמעגלים מקומיים במוח מתוחכמים יותר ממה שחשבנו, ושהמוח מסוגל להצפין מידע בשני אופנים שונים, כשהראשון גורם לשני", אמר פרופ׳ שטרק.

השאלה כיצד המוח מקודד את המידע החדש שמגיע אליו היא אחת השאלות החשובות והמורכבות בהבנת תהליכים של למידה, זיכרון וכד'. אחת הבעיות המרכזיות בהבנת מנגנוני הקידוד נובעת מהקושי "לשלוט" בנוירונים ולגרום להם לפעול או לא לפעול בצורה נשלטת. מה שהיה ידוע עד כה הוא שבעת קידוד של מידע חדש, במקרה הזה עכברים שמזהים מקומות חדשים במרחב, תאי עצב (נוירונים) בהיפוקמפוס משתתפים בשני תהליכים. התהליך הראשון הוא הגברה בקצב הירי של התא הבודד. בפשטות, התא יורה יותר פעמים במשך זמן נתון. התהליך השני הוא שינוי בתזמון של הירי – בהיפוקמפוס פועלים גלי תטא, בתדירות של 8 הרץ, כשניתן למדוד מתי בדיוק בצורת הגל התא יורה – כלומר, באיזה תזמון (מופע, או פאזה) "על הגל". בתהליך השני, בעת כניסה למקום חדש במרחב, הנוירונים יורים בהתחלה בשיא הגל, לאחר מכן הם יורים במופע מוקדם יותר, וביציאה מהמקום החדש הם שוב יורים בתחתית הגל, בתהליך המכונה "הסטת מופע". כאמור, על פי הידוע כיום, שני התהליכים הללו קורים במקביל באותו התא בעת קידוד של מידע חדש הנוגע למיקום במרחב אצל עכברים.

אלא שעד כה לא היה ידוע האם יש קשר סיבתי בין שני התהליכים – כלומר, האם האחד גורם לשני או האם הם פועלים בלי תלות זה בזה. בנוסף, במידה ויש ביניהם תלות סיבתית, לא ידוע מהו המנגנון המאפשר המרה של צופן קצב ירי לצופן הסטת מופע אשר גורם לכך שהם פועלים יחדיו. לאורך השנים, הוצעו 6 קבוצות של מודלים מתמטיים שונים שהסבירו – כל אחד במנגנון אחר – את אופן הקשר בין שני התהליכים.

במחקר החדש אותו הוביל פרופ׳ שטרק, כשעוד עמד בראש מרכז המצוינות לחקר הצופן העצבי באוניברסיטת תל אביב, ובהשתתפות תלמידי המחקר ד״ר הדס סלוין, לידור ספיבק, ד״ר אמיר לוי, רוני גטניו, ושירלי סומק, השתמשו החוקרים בטכנולוגיה ״אופטו-גנטית״ שעושה שימוש בחלבון מאצה מיוחדת שמגיבה לאור – כך שבכל פעם שהחלבון נחשף לאור כחול, המתח החשמלי של תא העצב משתנה והוא יורה. החוקרים השתילו מערכים אופטו-אלקטרוניים ממוזערים במוח של עכברים מתרוצצים וכך, בשיטות של משוב בחוג סגור, גרמו לתא בודד בהיפוקמפוס להגביר בצורה מלאכותית את קצב הירי שלו – התנאי לתהליך הראשון של קידוד המידע.

במסגרת המחקר עקבו החוקרים אחר עכבר שהלך הלוך ושוב על לאורך מסילה. כלומר, הוא השתמש במנגנוני הקידוד של הכרת המרחב. בחלק מהמקרים החוקרים גרמו להגברת קצב הירי של התא הנבדק בהיפוקמפוס ובחלק מהמקרים הם לא הגבירו, כך שניתן היה לבחון את השפעת האילוץ המלאכותי על קצב הירי במקומות שונים, במועדים שונים ותחת התנאים השונים – וכך להשוות את התוצאות אל מול "מקרי ביקורת".

מהממצאים עולה כי כאשר החוקרים הגבירו את קצב ירי התאים, כלומר יצרו קוד קצב חדש, התקבל שינוי בתזמון הירי (הסטת מופע), כלומר שינוי בקוד הפאזה. כאשר קצב ירי התא לא הוגבר, לא נמדד שינוי בתזמון. כלומר, נמצא קשר סיבתי ברור שבו הגברת הקצב היא זו שגורמת לשינוי התזמון. כאשר החוקרים מדדו את מאפייני הסטת המופע נמצא כי לאורך השדה המלאכותי התרחש שינוי מופע של מחזור שלם. כלומר, הירי שהתחיל בשיא הגל בתחילת השדה, עבר כעבור זמן להיות כולו בתחתית הגל במרכז השדה, וחזר לשיא הגל ביציאה מהשדה.

כעת כשהיו בידם התוצאות, פנו החוקרים לבחון מהו המנגנון המאפשר את ההמרה מקוד קצב לקוד הסטת מופע. מתוך ששת המודלים, שלושה יוצאים מנקודת הנחה שהסטת המופע מתרחשת בגלל פעילות הקשורה למעורבות של תאים אחרים ממקומות אחרים במוח או של קישוריות מסוימת בין התאים. אולם מכיוון שבמקרה הנוכחי ידעו החוקרים כי הפעילות הייתה מקומית וברמת התא הבודד, שלושת מודלים אלו נפסלו. שני מודלים נוספים נפסלו, מכיוון שהם ניבאו שתהיה הסטת מופע של חצי מחזור, כאשר בפועל הנתונים הראו הסטת מופע של מחזור שלם. קבוצת המודלים השישית אשר מתאימה לממצאים היא מודל שמתבסס על תופעת ההתאבכות – כלומר, גלי התטא נפגשו עם גלים אחרים, מהירים קצת יותר אשר הירי מתבצע בשיא שלהם. במנגנון זה, התזמון של הירי הולך ומשתנה כך שירי אשר מתחיל בשיא הגל, עובר בהדרגה לתחתית הגל וחוזר חלילה. אלה שהסבר של תופעת התאבכות מצריך גם להסביר מהיכן מגיע הגל הנוסף.

"ראשית חשוב להבהיר שבעוד שבחנו את ששת קבוצות המודלים הקיימות, כמובן שייתכן שיש הסברים נוספים שלא חשבנו עליהם והם הנכונים", הדגיש פרופ׳ שטרק. "אם נלך עם המודל שמסביר את התצפיות, צריך להבין מהיכן מגיע הגל הנוסף שגורם להתאבכות. כדי שיהיה גל חדש, צריך שיהיה מתנד נוסף, כלומר משהו שייצר את התנודות שמהוות את הגלים המהירים יותר. ההסבר שלנו מגיע מתוך המנגנון המולקולרי הפנימי של התא. לתאי המוח הספציפיים שבדקנו יש בין היתר שתי תעלות יוניות, האחת נפתחת מהר כאשר המתח בתא חיובי ומאפשרת מעבר של מטען חיובי מחוץ התא פנימה, ובכך גורמת למתח התא להפוך לחיובי עוד יותר, ונסגרת כאשר המתח של התא שלילי. התעלה השנייה נפתחת לאט יותר והיא מאפשרת מעבר של מטען חיובי בכיוון ההפוך, מתוך התא החוצה, מה שגורם למתח התא להפוך לשלילי יותר. אותו הקלט אשר גורם להתגברות קצב הירי גורם גם לשתי התעלות להיסגר ולהיפתח לסירוגין, וזה יכול להוות את המתנד הנוסף שיוצר את התנודות של הגל המהיר", הסביר.

ומה לגבי ההשלכות המעשיות של הבנת המנגנון המוחי? לדבריו של פרופ׳ שטרק, בכדי שנוכל לתקשר עם המוח באופן יעיל, עלינו להשתמש בשפה (קוד) שלו. "הבנת השפה שבה המוח מדבר עם עצמו תאפשר לנו להבין כיצד להעביר אליו וממנו מידע בדיוק רב. אפשר לחשוב על יד או רגל תותבת שאנחנו רוצים שתופעל על ידי המוח, על תקשורת עם איבר חישה מלאכותי, או אפילו על גיבוי או שיתוף של זיכרונות. עד למחקר שלנו ניתן היה לחשוב שהמוח משתמש במספר מערכות נפרדות כדי להפעיל את שני הצפנים במקביל, כלומר שהמוח משתמש במספר שפות. אלא שכעת אנחנו יודעים שלפחות באזור מוח מסוים צופן אחד, הגברת הקצב, מומר באופן אוטומטי לצופן של תזמון מדויק, שאולי מתאים יותר להעברת מידע בין תאים אבל קשה יותר למימוש מלאכותי. כלומר, גם אנחנו, כשנרצה להשפיע על הפעלת המערכת המסוימת הזו נוכל אולי להסתפק בהגברת קצב הירי של הנוירונים", הוא סיכם.