הידעתם שתאי מוח יותר משוכללים ממה שחשבתם? המחקר שיפתיע אתכם

תאי המוח הם הדבר המשוכלל ביותר ביקום. מוח האדם הוא מכונה משוכללת, אפילו יותר מבינה מלאכותית... כל תא מוח מתוכנן בצורה מורכבת עד טירוף, והוא חלק ממערכת שמנהלת במשך מאה ועשרים שנה, 24 שעות ביממה, מערך עצבי חשמלי נוירולוגי של מיליארדי תאים ופולסים. מערכת שהישגיה הם פסגת החכמה ביקום.

אבל מתברר, שלמרות הידע הגדול שיש לנו עליהם, ולמרות העיסוק הנרחב בהם, הם בכל אופן עוד יותר משוכללים ממה שחשבנו. כפי שכותב הסופר גור זיו: "ספרי לימוד בתחום הביולוגיה עשויים להזדקק לעדכון, כך טוענים חוקרי רפואה מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס, המציגים עדויות חדשות המצביעות על כך שמבנה דמוי זרוע של תאי מוח ביונקים עשוי להיות שונה מההנחות המדעיות ששלטו במשך למעלה ממאה שנה.

"במחקר שנערך על תאי מוח של עכברים, נמצא כי האקסונים – אותם מבנים דמויי זרוע אשר מתמשכים החוצה ומעבירים מידע בין תאי מוח שונים – אינם מבנים גליליים פשוטים, כפי שהם מתוארים לעיתים קרובות בספרי לימוד ובאתרי מידע, אלא למעשה מזכירים יותר שרשרת פנינים.

"הבנת מבנה האקסונים חיונית להבנת מנגנוני האיתות בתאי מוח. האקסונים משמשים ככבלים המקשרים בין חלקי רקמת המוח, ומאפשרים למידה, זיכרון ותפקודים מוחיים רבים נוספים".

בעוד שמדענים ידעו זה מכבר כי קיימים מבנים דמויי פנינים באקסונים – תופעה המכונה "חרוזי אקסונים" (axon beading) – הם זוהו בעיקר במצבים פתולוגיים, כמו במקרי ניוון עצבי, מחלת פרקינסון ומחלות נוירולוגיות אחרות, אשר גורמות לאובדן שלמות קרום התא והשלד התוך-תאי. בתנאים רגילים, נהוג היה להניח כי האקסונים הם בעלי מבנה גלילי אחיד ברובו, עם הופעה מזדמנת של מבנים דמויי בועות המכונים "דליות סינפטיות", המשמשות לאחסון נוירוטרנסמיטרים ומאפשרות העברת אותות בין תאי מוח.

פרופ' שיגקי ווטנבה (Shigeki Watanabe), חוקר בתחום ביולוגיית התא ומדעי המוח מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס, הבחין לראשונה במבנה חוזר של פנינים לאורך האקסונים במערכת העצבים של תולעים. בעקבות שיחה עם המדען השוויצרי גרהם נוט (Graham Knott), הוא התעניין עוד יותר במבנים אלו. מחקר שפורסם בשנת 2012 על ידי קבוצת חוקרים מאוניברסיטת הרווארד תיאר רכיבים "שלדיים" החוזרים על עצמם באקסונים, מה שהוביל את ווטנבה ונוט להעלות השערה ולתכנן ניסויים שמטרתם לבחון אם הסרת שלד האקסון תגרום להיעלמות הפנינים.

את הרעיון בחנה ג'קלין גריסוולד (Jacqueline Griswold), סטודנטית לתואר שני בג'ונס הופקינס ומחברת ראשית של המאמר המדעי. להפתעתה, הסרת השלד לא השפיעה על מבני הפנינים. בעקבות כך, ווטנבה וגריסוולד שיתפו פעולה עם פרופ' פדמיני רנגמני (Padmini Rangamani), מומחית לביופיזיקה תיאורטית מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, כדי לבחון את התכונות הפיזיות של האקסונים לעומק.

כדי לצפות באקסונים של תאי מוח, אשר קוטרם קטן פי 100 מעובי שערת אדם, השתמשו החוקרים בטכניקה של מיקרוסקופ אלקטרונים קריוגני. בשונה ממיקרוסקופ אלקטרונים רגיל, ששולח אלומת אלקטרונים לרקמה על מנת למפות את מבנה התא, שיטה זו כוללת הקפאה מהירה של הדגימה לשימור המבנים ברזולוציה גבוהה.

"כאשר משתמשים במיקרוסקופיית אלקטרונים רגילה, יש צורך לקבע ולייבש את הרקמה, אך הקפאה שומרת על המבנים באופן טבעי – זה דומה להקפאת ענב במקום לייבש אותו לצימוק", מסביר ווטנבה.

"ממצאים אלה מערערים את התפיסה הרווחת על מבנה האקסונים, שהייתה מקובלת במשך למעלה ממאה שנה", מדגיש ווטנבה. כדי להבין את המקור הפיזי של מבנים אלה, המדענים השתמשו במודלים מתמטיים, ובחנו כיצד קרום האקסון משפיע על צורתו. הם גילו כי מבנה הפנינים יכול להיות מוסבר באמצעות מודלים מכניים פשוטים, והצליחו לשחזר אותו בניסויים ממוחשבים. יתר על כן, ניסויים עם המודל המתמטי ודגימות מוח של עכברים הראו כי הגדלת ריכוז הסוכרים בתמיסה סביב האקסון או הפחתת המתח בקרומים האקסונליים הקטינה את גודל מבני הפנינה.

בניסוי נוסף הוסרו מולקולות כולסטרול מקרום התא - מה שהפך אותו לנוקשה פחות ולגמיש יותר. במצב זה נצפתה ירידה בכמות הפנינים, הן במודלים מתמטיים והן בתאי עצב של עכברים, וכן ירידה ביכולתו של האקסון להעביר אותות חשמליים. "כאשר לאקסונים יש חלל רחב יותר, יונים כימיים יכולים לנוע דרכם ביעילות רבה יותר, ולהימנע מ'פקקי תנועה'", מציין ווטנבה.

בנוסף גירו החוקרים חשמלית את הנוירונים של העכברים בתדר גבוה. בעקבות הגירוי, מבני הפנינים האקסונליים התנפחו – אורכם גדל בכ-8% ורוחבם בכ-17% למשך 30 דקות לפחות, והשדרים החשמליים הפכו למהירים יותר. לעומת זאת, כאשר הוסר הכולסטרול מהממברנה, פניני האקסון איבדו את נפחם ולא חל שינוי במהירות האותות החשמליים.

טונג וואנג (Tong Wang), מדען מוח מאוניברסיטת שאנגחאי-טק, הוסיף כי "המחקר החדש עשוי להצביע על כך שמבנה האקסונים הוא דינמי, ומשתנה כל הזמן בבעלי חיים".

כל אחד מהאקסונים הקטנטנים האלו, הוא מעצמה של חכמה ותכנון אינסופיים.