לפני ואחרי קונקטום: המפה שחושפת כיצד המוח עובד באמת

אחד הפרויקטים הגדולים והחשובים במדע הושלם אשתקד. בעצם, אין דבר כזה הושלם המחקר ממשיך, אבל התוצרים עד כה מרשימים. המדע התקדם משמעותית בהבנת המוח האנושי.  

כשד"ר אלברט קרדונה, מדען מעגלים עצביים ממעבדת הביולוגיה המולקולרית של MRC, שמע על השלמת מיפוי המוח השלם של זבוב פירות בוגר, הוא השתמש בביטוי שהפך מיד למשפט הכי מצוטט בתחום: "יש לפני קונקטום - ויש אחרי", כפרפראזה לציטוט מפורסם של הנוירותיאורטיקן לארי אבוט מאוניברסיטת קולומביה. "כשמדענים משלימים קונקטום של בעל חיים, פתאום רמת ההבנה נמצאת במרחק של קילומטרים מכל דבר שהיה קודם".

רגע, מה זה בכלל קונקטום? מדובר במונח ממדעי המוח המתאר את מפת הקשרים העצביים במוח - כולל חיבורים פיזיים כמו אקסונים וסינפסות ודפוסי פעילות בין אזורים שונים. מעין "מפת כבישים" עצבית, שמסייעת להבין כיצד המוח מארגן מידע, זיכרון, רגשות והתנהגות. חקר הקונקטום חשוב להבנת מחלות נוירולוגיות ונפשיות, ולפיתוח טיפולים חדשניים. 

בשנה שעברה, צוות בינלאומי של יותר מ-200 חוקרים מ-50 מעבדות ברחבי העולם, הידוע בשם קונסורציום FlyWire, פרסם תשעה מאמרים בו-זמנית בכתב העת Nature. המאמרים מתארים את המפה השלמה הראשונה שנוצרה אי פעם, של כל החיבורים העצביים במוח של יצור בוגר בעל מורכבות כזו: 139,255 נוירונים המחוברים על ידי יותר מ-54.5 מיליון סינפסות.

• תגלית ראשונה בקבוצת מאגרי הגז הטבעי "דרקון"
• תגלית גז בים הצפוני במאגר המחוזק על ידי דלק ב-20%
• המלצת המערכת: כל הכותרות 24/7

"בהתחלה הרעיון נראה מגוחך"

פרופ' מלה מורתי, מנהלת מכון פרינסטון למדעי המוח ומובילה משותפת של המחקר, זוכרת היטב את הרגע שבו הרעיון נולד. בשנת 2018, חוקרים בקמפוס המחקר ג'נליה של מכון האוורד יוז לרפואה צילמו מוח של זבובה ברזולוציה ננומטרית באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, והפכו את התמונות לזמינות לציבור. מורתי ופרופ' סבסטיאן סונג מפרינסטון חשבו שאפשר להשתמש בתמונות האלה כדי לזהות ולמפות את החיבורים בין כל נוירון נראה.

"אבל זה נראה ממש מגוחך", הודתה מורתי. "זה היה פשוט פרויקט גדול מדי. אף אחד לא יצר מפה בקנה מידה כזה". כדי להבין את האתגר: הקונקטום הראשון שהושלם ב-1986 היה של תולעת elegans עם 302 נוירונים בלבד. קונקטום של לרווה של זבוב פירות, שפורסם במרץ 2023, מיפה כ-3,000 נוירונים. מוח זבוב בוגר גדול בסדרי גודל - כמעט 140,000 נוירונים.

"זהו הישג מרכזי", אמרה מורתי. "אין קונקטום מלא אחר של מוח בוגר בעל מורכבות כזו." ד"ר קליי ריד, נוירוביולוג במכון אלן למדעי המוח שלא היה מעורב בפרויקט, אישר: "זה ענק." הפרויקט התאפשר בזכות שילוב ייחודי של טכנולוגיה ומאמץ אנושי. בינה מלאכותית מסוג למידת מכונה עזרה להפוך נתוני הדמיה לשחזורים תלת-ממדיים של כל נוירון והסינפסות שלו. אבל האלגוריתמים עושים טעויות, ולכן השחזורים נדרשו לתיקון ידני.

• אנחת רווחה: פריצת הדרך שתציל את המחשב הקוונטי
• רק דקירה קטנה: בדיקת דם פשוטה יכולה לזהות אלצהיימר בדיוק של 90% - יותר מאשר מומחים
• תוכן שיווקי שוק הסקנדרי בישראל: הציבור יכול כעת להשקיע ב-SpaceX של אילון מאסק

כאן נכנסו מתנדבים מכל העולם - "מדענים אזרחיים" שהוזמנו להשתתף בפרויקט דרך פלטפורמת FlyWire. הם עברו על התמונות ומיפו את הנוירונים המוחיים בצורה דומה למשחק פאזל תלת-ממדי. פרופ' סונג תיאר את החוויה: "לפעמים, כשאתה עושה משהו במדע, אף אחד לא שם לב. אבל לפעמים, אנשים לא רק שמים לב - הם בעצם משתמשים בזה למחקר שלהם והם אסירי תודה. זו הרגשה מאוד נעימה."

"בנינו אטלס"

אחת התגליות המרתקות ביותר נוגעת למורכבות הרשת. מורתי חשפה: "הרשת מאוד מסובכת... תוך ארבע קפיצות - ארבעה חיבורים - כמעט כל נוירון במוח יכול לתקשר עם כל נוירון אחר במוח." זוהי רמת קישוריות שהמדענים לא ציפו לה. הצוות זיהה 8,453 סוגי תאים שונים, מהם 4,581 סוגים חדשים שלא היו ידועים קודם. רובם מאזורי מוח שלא נכללו בקונקטומים חלקיים קודמים. ד"ר סוון דורקנוולד מפרינסטון סיכם: "מה שבנינו הוא במובנים רבים אטלס."

ד"ר אניטה דווינני, מומחית לזבובי פירות מאוניברסיטת אמורי שכתבה פרשנות נלווית למאמרים, תיארה את ההשפעה על עבודתה: "עשרות שנים לא ידענו מהם נוירוני הטעם במוח. ופתאום עכשיו אפשר לגלות את זה", היא מקווה שהתשואה המדעית של FlyWire תרגיע את הגופים המממנים שהשקעה בקונקטומים משתלמת.

ההיבט המפתיע ביותר כנראה הוא הרלוונטיות למחקר רפואי אנושי. פרופ' סונג חשף במסיבת עיתונאים: "75% מהגנים הקשורים למחלות בבני אדם יש להם הומולוגים בגנום של זבוב הפרי." הומולוגים הם גנים דומים שנשתמרו במהלך האבולוציה. הבנת הגנים האלה יכולה לסייע בפיתוח טיפולים למחלות אנושיות רבות.

ד"ר מרתה בהאטצ'ריה, פרופסור חבר למדעי המוח באוניברסיטת אריזונה, התלהבה: "אני חושבת שזוהי בעצם ההתחלה של מספר עצום של מחקרים. כשמשתמשים במפה כדי לחקור את המעגלים העצביים של הזבוב, אפשר באמת לעקוב אחרי זרימת המידע באופן שלא היה אפשרי קודם." ג'ון נגאי, מנהל יוזמת BRAIN של ארה"ב, הוסיף: "במובנים רבים, המוח חזק יותר מכל מחשב שנבנה על ידי האדם, ובכל זאת, ברוב המקרים אנחנו עדיין לא מבינים את ההיגיון הבסיסי שלו."

הפרויקט הבא: מוח של עכבר

ד"ר ג'רי רובין, מנהיג קבוצה בכיר בקמפוס ג'נליה שלא היה מעורב ישירות במחקר, צופה לעתיד: "אם נוכל להבין מה הופך דבורה להרבה יותר חכמה מזבוב פרי, זה יסביר לנו הרבה על מה שהופך בן אדם להרבה יותר חכם מעכבר".

מדענים כבר עובדים בחריצות על קונקטום של מוח עכבר, שיש בו פי אלף יותר נוירונים ממוח זבוב פירות. אבל הדרך עדיין ארוכה. רובין הסביר: "הפרויקט יסתיים באמת כשמדענים יבינו לחלוטין כיצד המוח הקטן הזה שולט בהתנהגות של הזבוב על כל היבטיה המופלאים - ניווט במרחב, מציאת בן זוג והתמודדות עם מתחרים".

ד"ר פנלופ סטרן מאוניברסיטת רוצ'סטר, שהשתתפה בכתיבתו של אחד ממאמרי Nature, סיכמה: "המאמר הזה מציג מה ניתן לעשות עם הקונקטום - הוא מאפשר לחוקרים לצאת מעבר לסוגי תאים בודדים ולחקור כיצד מעגלים עצביים מאורגנים וכיצד קבוצות של נוירונים עובדות יחד לייצר פונקציה מוחית". אם הדנ"א שבנוירונים של מוח הזבוב היה נפרש לאורכו, הוא היה נמתח ליותר מ-150 מטר - ארוך יותר מארבעה לווייתנים כחולים מסודרים "אף לזנב".