כיצד סינפסות חשמליות מכוונות מידע חושי לקבלת החלטות טובות יותר

מדענים מאוניברסיטת ייל ואוניברסיטת קונטיקט עשו צעד גדול בהבנת האופן שבו מוחות בעלי חיים מקבלים החלטות, וחושפים תפקיד מכריע לסינפסות חשמליות ב"סינון" מידע חושי.

המחקר החדש,פורסם בכתב העת Cell, מדגים כיצד תצורה ספציפית של סינפסות חשמליות מאפשרת לבעלי חיים לעשות בחירות מתאימות להקשר, גם כשהם מתמודדים עם תשומות חושיות דומות.

מוח של בעלי חיים מופגז כל הזמן במידע חושי - מראות, צלילים, ריחות ועוד. הבנת המידע הזה, אומרים מדענים, דורשת מערכת סינון מתוחכמת המתמקדת בפרטים רלוונטיים ומאפשרת לבעל חיים לפעול בהתאם. מערכת סינון כזו לא פשוט חוסמת "רעש" - היא נותנת עדיפות פעילה למידע בהתאם למצב. התמקדות במידע חושי מסוים ופריסה של התנהגות ספציפית להקשר ידועה בשם "בחירת פעולה".

המחקר בהובלת ייל התמקד בתולעת,סי elegans, אשר, באופן מפתיע, מספק מודל רב עוצמה להבנת המנגנונים העצביים של בחירת הפעולה.סי elegansיכול ללמוד להעדיף טמפרטורות ספציפיות; כאשר הוא נמצא בשיפוע טמפרטורה, הוא משתמש באסטרטגיה פשוטה אך יעילה כדי לנווט לעבר הטמפרטורה המועדפת עליו.

תולעים נעות תחילה על פני השיפוע לעבר הטמפרטורה המועדפת עליהן (התנהגות הנקראת "נדידת שיפוע") - וברגע שהן זיהו תנאי טמפרטורה לרוחם יותר, הן עוקבות אחר הטמפרטורה הזו, מה שמאפשר להן להישאר בטווח המועדף עליהן (התנהגות הנקראת "מעקב איזותרמי"). תולעים יכולות גם לבצע התנהגויות אלה באופנים ספציפיים להקשר, לפרוס נדידת שיפוע כשהן רחוקות מהטמפרטורה המועדפת עליהן, ומעקב איזותרמי כשהן קרובות לטמפרטורה מועדפת.

אבל איך הם מסוגלים לבצע את ההתנהגות הנכונה בהקשר הנכון?

לצורך המחקר החדש, החוקרים חקרו סוג ספציפי של קשר בין תאים עצביים, הנקראים סינפסות חשמליות, השונה מהסינפסות הכימיות שנחקרו באופן נרחב יותר. הם גילו כי סינפסות חשמליות אלה, המתווך על ידי חלבון הנקראINX-1, חבר זוג ספציפי של נוירונים (AIYנוירונים) האחראים לשליטה על החלטות התנועה בתולעת.

"שינוי הצינור החשמלי הזה בזוג בודד של תאים יכול לשנות את מה שהחיה בוחרת לעשות", אמר דניאל קולון-ראמוס, פרופסור דוריס מקונל דוברג למדעי המוח וביולוגיה של התא בבית הספר לרפואה של ייל והמחבר המקביל של המחקר.

הצוות מצא שהסינפסות החשמליות האלה לא פשוט משדרות אותות, הן גם פועלות כ"מסנן". בתולעים עם רגילINXפונקציה -1, החיבור החשמלי מעכב ביעילות את האותות מהנוירונים התרמו-סנסוריים, ומאפשר לתולעת להתעלם משתנות טמפרטורה חלשות ולהתמקד בשינויים הגדולים יותר שחווים בשיפוע הטמפרטורה. זה מבטיח שהתולעים נעות ביעילות על פני השיפוע ולכיוון הטמפרטורה המועדפת עליהן מבלי להסיח את דעתם על ידי אותות לא רלוונטיים להקשר, כמו אלה שחוו מסלולים איזוטרמיים שמופיעים לאורך השיפוע אך אינם בטמפרטורות המועדפות.

אולם בתולעים חסרותINX-1, הAIYנוירונים הופכים לרגישים יתר, מגיבים הרבה יותר חזק לתנודות טמפרטורה קלות. רגישות יתר זו גורמת לתולעים להגיב לאותות הקטנים הללו, ולכדות את החיות באיזותרמיות שאינן הטמפרטורה המועדפת עליהן. מעקב לא תקין כזה של איזותרמיות בתוך הקשרים לא נכונים משפיע לרעה על יכולת התולעים לנוע על פני שיפוע הטמפרטורה לעבר הטמפרטורה המועדפת עליהן.

"זה יהיה כמו לצפות בציפור מבולבלת עפה עם רגליה מושטות", אמר קולון-ראמוס. "ציפורים בדרך כלל מאריכות את רגליהן לפני הנחיתה, אבל אם ציפור מאריכה את רגליה בהקשר הלא נכון, זה היה מזיק להתנהגות ולמטרות הרגילות שלה."

מאחר שסינפסות חשמליות נמצאות בכל מערכות העצבים של בעלי חיים רבים, מתולעים ועד בני אדם, לממצאים יש השלכות משמעותיות מעבר להתנהגות של תולעים.

"מדענים יוכלו להשתמש במידע הזה כדי לבחון כיצד יחסים בנוירונים בודדים יכולים לשנות את האופן שבו בעל חיים תופס את סביבתו ומגיב אליה", אמר קולון-ראמוס. "למרות שהפרטים הספציפיים של בחירת הפעולה כנראה ישתנו, העיקרון הבסיסי של תפקידן של סינפסות חשמליות בצימוד נוירונים כדי לשנות תגובות למידע חושי עשוי להיות נפוץ.

"לדוגמה, ברשתית שלנו, קבוצה של נוירונים הנקראים 'תאים אמקריניים' משתמשת בתצורה דומה של סינפסות חשמליות כדי לווסת את הרגישות החזותית כאשר העיניים שלנו מסתגלות לשינויים באור."

תצורות סינפטיות הן מרכזיות באופן שבו בעלי חיים מעבדים מידע חושי ואז מגיבים, והתוצאות שנחשפו במחקר החדש מצביעות על כך שתצורות של סינפסות חשמליות ממלאות תפקיד מכריע במודול האופן שבו מערכות העצבים מעבדות מידע חושי ספציפי להקשר כדי להנחות תפיסה והתנהגות ב בַּעֲלֵי חַיִים.

מָקוֹר:אוניברסיטת ייל