מקצבי מוח חיוניים לקוגניציה, ארגון פעילות עצבית על פני אזורים שונים ומשפיעים על אופן עיבוד וזיכרון המידע. קרדיט: twoday.co.il.com
MIT מדעני מוח מציעים מסגרת חדשה המתארת כיצד מחשבה נובעת מתאום פעילות עצבית המונעת על ידי שדות חשמליים מתנודדים – הלא הם "גלי" מוח או "מקצבים".
זה יכול להיות מאוד אינפורמטיבי לצפות בפיקסלים בטלפון שלך תחת מיקרוסקופ, אבל לא אם המטרה שלך היא להבין מה מראה סרטון שלם על המסך. קוגניציה היא כמעט אותו סוג של תכונה מתהווה במוח. ניתן להבין זאת רק על ידי התבוננות כיצד מיליוני תאים פועלים בתיאום, טוענת שלישיית מדעני מוח ב-MIT. במאמר חדש, הם מציגים מסגרת להבנה כיצד מחשבה נובעת מתאום פעילות עצבית המונעת על ידי שדות חשמליים מתנודדים – הידועים גם כ"גלי" מוח או "קצבים".
המשמעות של מקצבי מוח
מבחינה היסטורית נדחה רק כתוצרי לוואי של פעילות עצבית, מקצבי מוח הם למעשה קריטיים לארגון זה, כותבים פרופסור פיקוור ארל מילר ומדעני המחקר סקוט ברינקאט וג'פרסון רוי בכתב העת דעה נוכחית במדעי ההתנהגות.
בעוד שמדענים מוחיים צברו ידע עצום ממחקר כיצד תאי מוח בודדים מתחברים וכיצד ומתי הם פולטים "קוצים" כדי לשלוח דחפים דרך מעגלים ספציפיים, יש גם צורך להעריך וליישם מושגים חדשים בסולם קצב המוח, שיכול להשתרע על פני פרט. או אפילו מספר אזורי מוח.
אחד האמצעים המרכזיים שבאמצעותם מדעני MIT מציעים שהמחשבה נשלטת ברמת גלי המוח הוא מה שמכונה תיאוריית המחשוב המרחבי. הוא טוען שמקצבי בטא פועלים כמו סטנסילים, ומכתיבים היכן מקצבי גמא יכולים לקודד מידע בקורטקס. קרדיט: מכון Picower, עריכה
הרחבת היקף מדעי המוח
"ספייק ואנטומיה הם חשובים, אבל יש יותר מתרחש במוח מעל ומעבר לזה", אומר הסופר הבכיר מילר, חבר סגל במכון Picower ללמידה וזיכרון ובמחלקה למדעי המוח והקוגניציה ב-MIT. "יש הרבה פונקציונליות שמתרחשת ברמה גבוהה יותר, במיוחד קוגניציה."
ההימור בחקר המוח בקנה מידה זה, כותבים המחברים, עשוי לכלול לא רק הבנת תפקוד בריא ברמה גבוהה יותר, אלא גם כיצד תפקודים אלה משתבשים במחלה.
"הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות רבות, כמו סכיזופרניה, אפילפסיה ופרקינסון, כרוכות בשיבוש של תכונות מתעוררות כמו סנכרון עצבי", הם כותבים. "אנו צופים שהבנה כיצד לפרש ולהתממשק עם המאפיינים המתעוררים הללו תהיה קריטית לפיתוח טיפולים יעילים כמו גם להבנת הקוגניציה."
הופעתן של מחשבות
הגשר בין קנה המידה של נוירונים בודדים לבין התיאום בקנה מידה רחב יותר של תאים רבים מושתת על שדות חשמליים, כותבים החוקרים. באמצעות תופעה הנקראת "צימוד אפטי", השדה החשמלי שנוצר מפעילותו של נוירון יכול להשפיע על המתח של נוירונים שכנים, וליצור יישור ביניהם. בדרך זו, שדות חשמליים גם משקפים פעילות עצבית וגם משפיעים עליה. במאמר בשנת 2022, מילר ועמיתיו הראו באמצעות ניסויים ומודלים חישוביים שניתן לקרוא את המידע המקודד בשדות החשמליים שנוצרו על ידי אנסמבלים של נוירונים בצורה אמינה יותר מאשר המידע המקודד על ידי קוצים של תאים בודדים. בשנת 2023 סיפקה המעבדה של מילר ראיות לכך ששדות חשמליים קצביים עשויים לתאם זיכרונות בין אזורים.
תפקידם של מקצבי בטא וגמא
בקנה מידה גדול יותר זה, שבו שדות חשמליים קצביים נושאים מידע בין אזורי מוח, המעבדה של מילר פרסמה מחקרים רבים המראים כי מקצבים בתדר נמוך יותר בלהקת "ביתא" מקורם בשכבות עמוקות יותר של קליפת המוח ונראה שהם מווסתים את כוח של מקצבי "גמא" בתדר מהיר יותר בשכבות שטחיות יותר.
על ידי הקלטת פעילות עצבית במוחם של בעלי חיים העוסקים במשחקי זיכרון עבודה, המעבדה הראתה שמקצבי בטא נושאים אותות "מלמעלה למטה" כדי לשלוט מתי והיכן מקצבי גמא יכולים לקודד מידע חושי, כמו התמונות שבעלי החיים צריכים כדי לזכור במשחק.
מחשוב מרחבי ושליטה קוגניטיבית
חלק מהעדויות האחרונות של המעבדה מצביעות על כך שמקצבי בטא מיישמים את השליטה הזו של תהליכים קוגניטיביים על כתמים פיזיים של קליפת המוח, למעשה פועלים כמו שבלונות המדגימות היכן ומתי גמא יכולה לקודד מידע חושי לזיכרון, או לאחזר אותו. לפי תיאוריה זו, שמילר מכנה "מחשוב מרחבי", בטא יכולה בכך לקבוע את הכללים הכלליים של משימה (לדוגמה, הסיבובים הלוך ושוב הנדרשים לפתיחת מנעול קומבינציה), גם כאשר תוכן המידע הספציפי עשוי להשתנות (לדוגמה, מספרים חדשים כאשר השילוב משתנה).
באופן כללי יותר, המבנה הזה גם מאפשר לנוירונים לקודד בצורה גמישה יותר מסוג אחד של מידע בו-זמנית, כותבים המחברים, תכונה עצבית נצפית נרחבת הנקראת "סלקטיביות מעורבת". לדוגמה, ניתן להקצות נוירון המקודד מספר של שילוב הנעילה, בהתבסס על תיקון שבלוני בטא שהוא נמצא בו, השלב המסוים של תהליך פתיחת הנעילה שהמספר חשוב עבורו.
קידוד תת-מרחב: תובנה חדשה
במחקר החדש, מילר, ברינקאט ורוי מציעים יתרון נוסף התואם עם שליטה קוגניטיבית המבוססת על משחק גומלין של פעילות קצבית מתואמת בקנה מידה גדול: "קידוד תת-מרחב".
הרעיון הזה מניח שמקצבי מוח מארגנים את המספר העצום של תוצאות אפשריות שיכולות לנבוע, למשל, מ-1,000 נוירונים העוסקים בפעילות ספייק עצמאית. במקום כל האפשרויות הקומבינטוריות הרבות, נוצרים למעשה הרבה פחות "תת-מרחבים" של פעילות, כי נוירונים מתואמים, ולא עצמאיים. זה כאילו התדר של נוירונים הוא כמו להקת ציפורים שמתאמת את תנועותיהן.
פאזות ותדרים שונים של מקצבי מוח מספקים את התיאום הזה, מיושרים כדי להגביר זה את זה, או מאופזים כדי למנוע הפרעות. לדוגמה, אם צריך לזכור פיסת מידע חושי, פעילות עצבית המייצגת אותה יכולה להיות מוגנת מפני הפרעות כאשר מידע חושי חדש נתפס.
"לכן הארגון של תגובות עצביות לתוך תת-מרחבים יכול גם להפריד וגם לשלב מידע", כותבים המחברים.
השפעת מקצבי מוח על קוגניציה
הכוח של מקצבי מוח לתאם ולארגן את עיבוד המידע במוח הוא זה שמאפשר לקוגניציה תפקודית להופיע בקנה מידה זה, כותבים המחברים. הבנת הקוגניציה במוח מחייבת אפוא לימוד מקצבים.
"לימוד רכיבים עצביים בודדים בבידוד – נוירונים בודדים וסינפסות – תרם תרומה עצומה להבנתנו את המוח ונשאר חשוב", מסכמים המחברים. "עם זאת, מתברר יותר ויותר שכדי לתפוס את המורכבות של המוח במלואו, יש לנתח את הרכיבים הללו ביחד כדי לזהות, לחקור ולקשר את התכונות המתעוררות שלהם."
