חקר המוח: מאז ועד מחר [חלק א]
יומן מסע ושאלות סביב הגולגולת, מפה טופוגרפית כפי שמבינים אותה היום ותקוות או הזיות לעתיד.
ההתחלה
נראה כי מאז ומתמיד האדם היה סקרן לגבי התודעה שלו, הנשמה שלו. כבר לפני חמשת אלפים שנה נמצאו עדויות של טבליות חרס המתארות את ההשפעות של חלב הפרג, ממנו מייצרים אופיום, על התודעה. ארכיאולוגים מצאו עדויות לכך שעוד בתקופה הפרה-היסטורית נהגו בני האדם לערוך ניתוחי מוח מסוג מסוים שנקראים "חירור גולגולת". טכניקה זו כללה ניקוב חור בגולגולת, וציורי קיר מהתקופה הנאוליטית מרמזים לכך שהיא שימשה לריפוי התקפים אפילפטיים ומחלות נפש, באמצעות יצירת פתח המאפשר ל"רוחות רעות" לצאת מהגוף. חלק מהמטופלים אף שרדו את התהליך.
הראיות הקדומות ביותר למילה “מוח” נמצאו אצל המצרים לפני 3,500 שנים על פפירוס המכונה "פפירוס אדם סמית" המתאר ניתוחים שנעשו ל-27 חולים עם פגיעות מוח ופגיעות נוספת במערכת העצבים מה שמעיד על כך שכבר אז טיפלו בפגיעות מוח.
בתקופת היוונים, ב-400 לפנה"ס, היפוקרטס, אבי הרפואה המודרנית, טען כי המוח הוא איבר החישה העיקרי, היות ורוב החושים העיקריים שלנו מחוברים לגולגולת. הוא ראה בניתוחים כי קיימות מסילות שמעבירות את המידע החושי למוח. כמה עשרות שנים לאחר מכן, ארסיטו יצא באמירה אחרת: הלב הוא המקור והמוח הוא רק מפזר חום משוכלל, תפקידו לקרר את הלב. בתנ"ך אגב אין ולו אזכור אחד למוח ועם זאת אזכורים לא מעטים ללב. בתקופת האימפריה הרומית, גלנוס שחי במאה ה2 לספירה בחן מאות מוחות של חיות וגילה שקיימים בתוכם חדרים מלאים נוזל. גלנוס טען שיש רוחות שחיות בחדרים האלה ותנועתן של הרוחות מפעילה את האדם. לגבי שאר המבנה? תפקידו לא ברור.
בימי הבניים אבד רוב הידע הרפואי של ימי קדם והוחלף באמנות תפלות ובדת. הכנסייה אסרה על דיסקציה (ניתוח) של גופות אדם מה שהאט את ההתפתחות המחקרית. מחלות רבות יוחסו להשפעה של שדים, לכן נעשו ניסונות לריפוי מחלות באמצעות מגוון טקסים בהם גירוש שדים או עליות לרגל, ואף בוצעו ניתוחים שמטרתם להוציא את "אבן השוטה" מגולגלות החולים.
ימי הרנסנס איפשרו רוח חדשה במחקר כאשר הנטייה להמנע מנתיחת מתים הלכה ופחתה, מה שאיפשר לתאר את גוף האדם לפרטי פרטים. ליאונרדו דה וינצ'י ביצע ניתוחים אנטומיים ולא פסח על המוח. הוא מתחיל להבין שאזורים שונים במוח אחראים על תפקודים שונים. כמאה שנים לאחר מכן אנדריאו ססליוס, אנטומיסט מדופלם, שאיפשר בפעם הראשונה לראות לפרטי פרטים את המבנה והתצורה של הגוף האנושי כאשר הזמין אמנים לצייר את הנתיחות שביצע פוסט-מורטום (לאחר המוות).
במאה ה-16, בהשראת התפתחות העקרונות הפיזיקליים באותה תקופה, דקארט הקביל את המוח למערכת הידראולית משוכללת. כאשר האדם חווה גירוי בסביבה, צינורות המים בגופו מגיבים לגירוי כך שמגיעים יותר נוזלים למוח. אפשר להבחין במגמה בה אופן הפעולה שמייחסים למוח שלובה ברעיונות התרבותיים הנוכחים באותה תקופה ובהתפתחות הטכנולוגית המאפשרת אותם וכן לכך שהמטפורה בה משתמשים בה כדי לדמות את פעולתו של המוח תהיה למכונה המשוכללת ביותר לאותה תקופה (עוד נחזור לנקודה זו בהמשך).
במאה ה-17 חלה נקודת מפנה שמציינת את השינוי בדרך בה אנחנו חוקרים את המוח מאז ועד היום. ניקולאוס סטליו הבחין באזורים השונים במוח ודימה את המוח למכונה - תחנת רוח. הוא ניסה להבין את התפקיד של כל רכיב במוח בנפרד כדי להבין את פעולת המוח בכללותו. גישה זו, הגישה הרדוקציוניסטית, שלטת במדע מאז ועד היום. ב-1694 פרסם תומאס וויליס את התיאור המדוייק הראשון של מבנה המוח, וב-1697 אנטוני ואן לוונהוף היה הראשון שבחן רקמת עצב במיקרוסקופ וגילה שכל סיב עצבי עשוי צרור צינורות דקיקים.
במאה ה-18 לואיג'י גלווני מראה שחישמול של רגליים אחוריות של צפרדע מוביל להתכווצותן, וזו הפעם הראשונה שעולה ההבנה שהגוף, ובכך גם המוח, מופעלים ע"י חשמל. מלומדים לא מעטים האמינו שעם גילוי תופעת החשמל נמצא עיקרון החיים וביטוי לכך ניתן למצוא בספר "פרנקנשטיין" שנכתב זמן קצר לאחר תגלית זו. כאן אפשר לראות איך התפתחות מדעית משפיעה על התפתחות תרבותית.
בתחילת המאה ה-19 נעשו עוד ועוד בדיקות מבניות של המוח אבל רק המצאת המיקרוטון, מכשיר לפריסת קטעי רקמה דקיקים, איפשרה להמשיך את המחקרים האנטומיים מבעד למיקרוסקופ. פרטי מסת המוח התגלו באמצעות צבעים וטכניקות צביעה מיוחדות וב-1832 זוהו תאי עצב בפעם הראשונה וכשנה לאחר מכן גילו המדענים שהסיבים העצביים מחוברים לתאי העצב.
במאה זו קרו מספר ארועים משמעותיים נוספים. הרופא הצרפתי פייר-פול ברוקה זיהה את האזור במוח האחראי על הדיבור כאשר מגיע אליו מטופל שמזהה אובייקטים אך לא מסוגל לתאר אותם. בניתוח שלאחר המוות ראו פגיעה משמעותית באזור מסויים במוח שקשור לדיבור ובהמשך נקרא איזור ברוקה. זו דוגמה אחת מבין רבות בה פגיעה מוחית איפשרה התקדמות בהבנה של הפעילות המוחית באזור מסויים, כאשר הלמידה באמצעות לזיות (פגיעות מוחית) ממשיכה להיות אחד האמצעים בהם חוקרים את המוח גם בימינו. ההסתכלות על המוח כמכונה מקבלת ביטוי גם כאן כאשר לפיה אם פוגעים באחד הרכיבים נקבל פגיעה בתפקוד מסויים.
מטופל נוסף שחייבים להזכיר כשמגוללים את ההסיטוריה של חקר המוח הוא פיניאס גייג'. הלה היה עובד מסילת רכבת כשיום אחד נתקע מוט ברזל בראשו. להפתעת הסובבים אותו אחרי כמה דקות הוא כבר הצליח ללכת ואף לדבר אך אופיו השתנה לבלי היכר. מה שקרה הוא שהמוט הרס חלק ניכר מהאונה המצחית שלו ובכך גרם לשינוי באישיותו. המקרה השפיע על הבנת הקשר שבין המוח לנפש והיווה אבן דרך בהבנה כיצד אזורים שונים במוח משפיעים על ההתנהגות.
במאה ה-19 בהשראת המצאת הצילום, קמילו גולג'י פיתח שיטה שמבוססת על חומצת כסף כרומטית לצביעת רקמות עצב ובתוך זמן קצר הצליח להבחין בין שני סוגים של תאי עצב, הוא האמין שמערכת העצבים בנוייה מרשת יחידה ומסתעפת של תאים עצביים בדומה לפעילות הרשת של הטלגרף, ההמצאה הטכנולוגית המתקדמת ביותר לאותה תקופה, והחשמל בעצם זורם במוח. כמה שנים לאחר מכן ההיסטולוג (חוקר מבנה רקמות) הספרדי סנטיאגו ראמון אי קחאל, שנחשב לאבי מדעי המוח המודרניים, חקר את האנטומיה של מערכת העצבים באמצעות פיתוח שיטות הצביעה של גולג'י כדי לפענח את המבנה העדין של הרקמה. הוא גילה שתאי עצב עשויים גוף תא, ענפים דקיקים ונימה ארוכה שמשמשת לשידור גירויים. "צבועים בחום-שחור, בולטים על הרקע הצהוב השקוף. הכל חד כמו ברישום בדיו סינית", כפי שכתב בהתלהבות באוטוביוגרפיה שלו. על סמך ממצאים אלו קחאל פיתח וביסס את "תיאוריות הנוירון", לפיו המוח מורכב מהרבה יחידות נבדלות של תאים המתקשרים בניהם. קחאל וגולג'י זכו בפרס נובל משותף על אף שהחזיקו בדעות מנוגדות לגבי אופן פעילות המוח.
באמצע המאה ה-19 המצאת הגלוונטומטר איפשרה להוכיח שיש מתח חשמלי בסיביים עצביים. ב-1843 גילה אמיל אדו בוא רמון את העקרונות הבסייסים להולכה חשמלית של גירויים. הרמן פון הלמהוץ מדד את מהירות העברת הגירויים ע"י העצבים וגילה שדחפים משודרים במהירות של 27 מטרים בשנייה (עשירית ממהירות הקול). רק אחר כך איפשרה המצאת האוסילסקופ לחקור את טיבם המדוייק של התהליכים החשמליים המהירים. אבל מה קורה בסינפסה, המרחב בו נפגשים שני תאי עצב? ב-1922 אוטו לוי גילה שלא על החשמל לבדו המוח מתפקד אלא שגם חומרים, כימיקלים, מעורבים בתהליך. הוא גילה את הנוירוטרנסמיטור (מולקולה מתווכת) הראשון אצטילכולין (Ach) ובהמשך קיבל פרס נובל על הישגי עבודתו. כך מתחילה מלחמת "המרק בברק" בין מדענים שנמשכה כ-50 שנה, אלו אומרים שהקצוות של תאי העצב (האקסונים) משחחרים חומרים כיימים ואלו טוענים שהתהליך הוא חשמלי גרידא. מסתבר שהאמת נמצאת גם כאן וגם כאן, ושהפעילות החשמלית והכימית שלובות זו בזו. כמה שנים לאחר גילויו של לוי עולה הצגה בברודווי בשם "Rosom universall robots" זו הפעם הראשונה בה נעשה שימוש במילה רובוט, הלקוחה מהשפה הצ'כית ומשמעה עבדות.
קוררה, רעל שנמרח על חצי אינדיאנים בדרום אמריקה, משבש את פעולתו של הנוירוטרנסמיטור אצטילכולין וכך גורם לשיתוק ומוות בחנק. בהרדמה מקומית משתמשים בתכונה זו כדי לחסום מסרים עצביים מסויים לשם מניעת שידור הכאב בעת ניתוח. תרופות פסיכיאטריות מסייעות (ועשוייות להרע לעיתים) כיוון שהן משנות את התשדורת העצבית הטבעית בגוף.
בסוף המאה ה-19 התחילה להתפתח הנוירוכירוגיה המודרנית כשבשנותיה הראשונות רק כ-10% מהמטופלים שרדו את הניתוח. המנתח האמריקאי הארווי קושינג, הנחשב לאבי הנוירוכירוגיה המודרנית, הצליח לפתח טכניקות ששיפרו פלאים את סיכויי ההישרדות של המנותחים בעיקר באמצעות מניעת דימום למוות בעת הניתוח. קושינג הסיר למעלה מ-2000 גידולים ממוחות במהלך הקריירה שלו והיה אחד מגדולי המורים לנוירוכירוגיה בתקופתו.
בתחילת המאה ה-20 חילק הנוירולוג הגרמני קורביניאן ברודמן את הקורטקס (קליפת המוח) לאזורים שונים בהתבסס על הבדלים בהתארגנות תאי העצב ברקמה כפי שנצפו בצביעה היסטולוגית. עד היום משתמשים באזורי ברודמן כמעין מפה טופוגרפית של המוח שמאפשרת "לוקליזציה", חפיפה בין האזור האנטומי לבין התפקיד שהוא ממלא. חשוב לציין כי לא בכל האזורים קיימת חפיפה בין התפקוד לאזור האנטומי. אגב, במאה ה-19 התפתחה הפרנולוגיה שטוענת כי ניתן לקשר בין מבנה הגולגולת לבין אישיותו של האדם ותכונות אופיו (כגון פשיעה). התיאוריה אינה מקובלת בתחום חקר המוח כיום כיוון שההנחה כי ניתן ללמוד ממבנה הגולגולת על מוחות של האדם נמצאה כשגויה, אך הנחת היסוד שלכל אזור במוח יש התמחות באזור מסויים הולמת את הרעיון עליו מבוססים "אזורי מוח" בהם נעשה שימוש כיום.
ב-1950 צמד החוקרים האקסלי והודג'קין מדדו את הגל החשמלי העובר בין שני נוריונים. גל כזה מכונה פוטנציאל פעולה, היות שמעבר החשמל בנוירון מהווה פוטנציאל לביצוע פעולה. לפי התפיסה הבינארית, כשמסתכלים על נוירון בו יש פוטנציאל פעולה זה מוגדר כ"1", משמע הועבר מידע, וכשאין פעולה "0", משמע לא הועבר מידע. תפיסה זו היוותה את הבסיס להתפתחות תחום החישוביות העצבית בו חקרו את המוח באמצעות רישום של כמות אדירה של פוטנציאלי פעולה מתוך מחשבה שאם נמפה את כל פוטנציאלי הפעולה ברגע נתון ונראה מה הפעולה שמתקבלת נוכל להבין את אופן הפעולה במוח. ג'ון ון ניומן היה חוקר מרכזי בתחום החישוביות העצבית ולאחר מותו פורסם ספר שכתב בו הוא טוען כי באמצעות ההסתכלות החישובית לבדה לא נוכל לפצח את תעלומת המוח. ההקבלה הזו של המוח כמחשב נוכחת גם בימינו אנו מכירים את מגוון הסרטים המגוללים סיפור אודות מחשב בעל מוח אנושי או אדם בעל מחשב במקום מוח. חשוב לזכור שהמח הוא לא רק מחשב שניתן לפרק ל0 ו-1, המוח הוא גם רקמה ביולוגית ופועל גם באמצעים כימיים.
איפה המחקר עומד היום? ומה צופן לנו העתיד? בחלק ב' של הכתבה שיפורסם בחודש הבא.
מקורות:
Bear MF; Connors BW; Paradiso MA (2001). Neuroscience: Exploring the Brain (2nd ed.). Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-3944-3.
Sandrone S (2013) The Amazing History of Neuroscience. Front. Young Minds. 1:14. doi: 10.3389/frym.2013.00014
"ראמון קאחל ותיאוריית הנוירון", סרטון מתוך סדרת "אבני דרך במדע ובטכנולוגיה" של הטלוויזיה החינוכית הישראלית https://youtu.be/WWQVoMoh21k
שירה ניב היא סטודנטית בתוכנית המצטיינים על שם "עדי לאוטמן" ומאסטרנטית במעבדה לפסיכולוגיה קלינית-חישובית באוניברסיטת תל-אביב. היא חוקרת תזמון פעולות באמצעות שימוש באלגוריתמים של reinforcement learning.
בזמנה הפנוי מתרגלת מדיטציה ועוסקת בלימוד רוחני ובזמן שעוד נשאר אוהבת מאוד לצאת למסעות בעולם.