קונקטום

קונקטום (באנגלית: Connectome) הוא מונח ממדעי המוח המתייחס למפת החיווט המקיפה של הקישוריות המבנית והתפקודית של העצביים ויחסי הגומלין ביניהם בתוך המוח או בכל מערכת העצבים של מין מסוים. הוא מתאר את ארכיטקטורת הרשת הסבוכה של תאי העצב וסינפסות המהוות את הבסיס לתקשורת ועיבוד מידע במוח. הבנת הקונקטום חיונית להבנת תפקודי המוח, ההכרה וההתנהגות, ובמיוחד של המוח האנושי. התחום החוקר ומפיק את ה'קונקטומים' של המינים השונים קרוי קונקטומיקה (אנ'). מכיוון שקונקטומים אלה מורכבים ביותר, שיטות המחקר בתחום זה משתמשות באמצעים מתקדמים ביותר של הדמיה עצבית פונקציונלית ומבנית, לרוב הדמיית תהודה מגנטית (MRI), מיקרוסקופיה אלקטרונית וטכניקות היסטולוגיות על מנת לשפר את היעילות והרזולוציה של מפות מערכות העצבים הללו. נהוג להבחין בין שני סוגים עיקריים של קישורים. קישור מבני וקישור תפקודי. הקישור המבני מייצג את הקשרים הפיזיים בין נוירונים במוח. הוא כולל את המסלולים הנוצרים על ידי אקסונים, דנדריטים וסינפסות. קישורים מבניים נחקרים לעיתים קרובות באמצעות טכניקות הדמיה עצבית כגון, Diffusion Tensor Imaging (DTI) והדמיית תהודה מגנטית. שיטות אלו מספקות תובנות על דרכי החומר הלבן והארגון המבני הכולל של המוח. קישור תפקודי מתייחס לדפוסים של פעילות עצבית ותקשורת בין אזורי מוח שונים. זה משקף את הפעילות המסונכרנת או המתואמת בין אזורי המוח השונים. קישוריות זו נחקרת בדרך כלל באמצעות הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית (fMRI) ואלקטרואנצפלוגרפיה (EEG). שיטות אלו מודדות זרימת דם או פעילות חשמלית, בהתאמה, ומספקות מידע על תפקוד המוח והקישוריות בין המוקדים השונים. קונקטום הוא מונח עם היסטוריה קצרה אך עבר ארוך. מתחילת המחקר במדעי המוח, הרעיון של 'מפה של קשרים עצביים' היה רעיון מעורר השראה עבור אלה שהאמינו שהמוח הוא איבר האינטלקט. לפני הטבעת המונח נהוג היה לדבר על "סידור שיטתי של העצבים", "מערכת העצבים" "רשתות המוח" וכדומה. המונח קונקטום הוצע לראשונה בשנת 2005 על ידי אולף ספורנס, ג'וליו טונוני ורולף קוטר, במאמרם, "הקונקטום האנושי: תיאור מבני של המוח האנושי". מטרת המאמר הייתה לדון באסטרטגיות מחקר המכוונות לתיאור מבני מקיף של רשת האלמנטים והקשרים היוצרים את המוח האנושי. המונח הוגדר שם כמטריצת הקישורים של המוח האנושי או רשת הקשרים האנטומיים המקשרים בין תאי העצב של המוח האנושי. המונח הוצע כאנלוגיה מכוונת למונח גנום, מכיוון שיש הקבלות רבות בין שני המושגים הללו. המונח קונקטום, הוגדר תחילה על ידי ספורנס וחב' עבור קישוריות מבנית, אך מאוחר יותר ההגדרה הורחבה כך שתכלול קישוריות תפקודית, כלומר הקונקטום התפקודי בא לתאר את המכלול הקולקטיבי של הקשרים התפקודיים במוח. הבנת הקונקטום חיונית לקידום מדעי המוח ויש לה השלכות על תחומים שונים, כמו פסיכולוגיה, רפואה ובינה מלאכותית. חוקרים שואפים לגלות כיצד דפוסים ספציפיים של קישוריות עצבית קשורים לתפקודים קוגניטיביים שונים, מצבי בריאות נפש והפרעות נוירולוגיות, זאת על מנת להרחיב את הידע על טופולוגיית רשת והדינמיקה במוח הבריא, המתפתח, המזדקן והחולה. הקונקטום נחקר ברמות שונות של קנה מידה, בהתאם לרמת הרזולוציה של קשרים עצביים ורמת הפירוט בתיאורם. הוצעו שלוש רמות עיקריות של חקר הקונקטום: מקרו-סקאלה, מזו-סקאלה ומיקרו-סקאלה. ההנחה היא שבעתיד הקונקטום עשוי לתאר את הרשת הנוירונית ברמות פירוט גבוהות יותר מהמוגדר כיום. קונקטום בקנה מידה מקרו - כולל חיבורים ומבנים ברזולוציה מרחבית של עד 1 מילימטר. צמתי הרשת הבסיסיים ברמה זו של חיבורים במערכת העצבים הם גרעינים ומרכזי מוח ספציפיים וכן אזורים בודדים של הקורטקס. הקונקטום בקנה מידה מזו – נחקר ברזולוציה מרחבית של כמה מאות מיקרומטרים. ברמה זו, האלמנט הבסיסי של הרשת עשוי להיות אוכלוסיות ייחודיות של נוירונים ו/או תאים המסודרים במבנים שונים - למשל, עמודות עצביות בקליפת המוח. קונקטום בקנה מידה מיקרו - נוגע לרזולוציה מרחבית של 1 מיקרומטר. הצומת הבסיסי של חיבורים ברמה זו הם נוירונים בודדים. רמות עתידיות - אפילו יותר מדויקות - של תיאור קונקטום עשויות לכלול נתונים המכסים את התכונות המולקולריות של נוירונים בודדים. הקונקטום הראשון והיחיד המובן עד כה הוא רשת הקשרים העצביים במערכת העצבים של הנמטודה Caenorhabditis elegans. הוא פותח על ידי שחזור תלת־ממדי של מבנה העצבים באמצעות מיקרוסקופיה אלקטרונית. תוצאת העבודה פורסמה בשנת 1986. עם זאת, חשוב לציין שנעשתה התקדמות משמעותית גם במיפוי החיבורים של אורגניזמים אחרים. להלן כמה דוגמאות: תסיסנית מלנוגסטר (זבוב הפירות): זבוב הפירות הוא מודל לחקר מדעי המוח. יש התקדמות רבה במיפוי המעגלים המוחיים של תסיסנית, מה שתרם להבנה של עיבוד חושי, התנהגות ולמידה. דג זברה: דג זברה הוא מודל נוסף עם מערכת עצבים פשוטה יחסית ומאופיינת היטב. חוקרים התקדמו במיפוי המעגלים העצביים המעורבים בהתנהגויות כמו שליטה מוטורית ותגובות לגירויים תחושתיים. עכבר: יש התקדמות משמעותית במיפוי הקישוריות של מוח העכבר באמצעות טכניקות הדמיה מתקדמות. אטלס המוח של אלן (אנ') הוא דוגמה לפרויקט המספק מידע מפורט על המבנה וביטוי הגנים של מוח העכבר. למרות שרוב המחקר נעשה בעכברים האטלס שימושי במיוחד עבור מודלים של מחלות נוירולוגיות. הוא יכול להראות אילו גנים ואזורים מסוימים מושפעים בהפרעות נוירולוגיות, כלומר, יכול לשפוך אור על תפקידו של הגן המסוים בהפרעה. קונקטומים של פרימטים: מחקרים שכללו פרימטים לא אנושיים, כמו מקוק, תרמו להבנת תפקודים קוגניטיביים מסדר גבוה. חוקרים השתמשו ב-DTI ובטכניקות אחרות כדי למפות קישוריות מבנית במוחות של פרימטים. פרויקט מחקר רב-מרכזי המעיד על העניין והמחויבות של הקהילה המדעית הבינלאומית במאמץ לקידום הקונקטומיקה הוא פרויקט הקונקטום האנושי. פרויקט הקונקטום האנושי (אנ' - HCP - The Human Connectome Project), שהושק בשנת 2009, הוא מאמץ שאפתני למפות את המסלולים העצביים העומדים בבסיס תפקוד המוח והשונות שלו בבני אדם. מטרת ה-HCP היא לפתח ולשתף נתונים על הקישוריות המבנית והתפקודית של המוח האנושי בקנה מידה מקרוסקופי כפי שנותח באמצעות הדמיה לא פולשנית באוכלוסייה גדולה של מבוגרים בריאים. הדמיה, התנהגות ונתונים גנטיים המופקים על ידי ה-HCP מ-1,200 מבוגרים בריאים משמשים כמשאב מפתח עבור חוקרים בתחומים רבים, כולל הדמיה עצבית, נוירואנטומיה, פסיכולוגיה, מדעי המוח החישוביים ומודלים ברשת. כדי להקל על שיתוף הנתונים, ה-HCP פיתח פלטפורמת מידע המורכבת ממסד נתונים לאחסון, עיבוד והפצה של נתונים וכן שולחן עבודה המשמש כלי להדמיה וחקירה של נתונים. הפרויקט הוא במימון המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) בסך 40 מיליון דולר אך עם ההכרזה של הנשיא אובמה על תקציב של 100 מיליון דולר בשנה התאפשרה התרחבות גדולה עוד יותר. ככל שהטכנולוגיה ושיטות המחקר ממשיכים להתקדם, הצמיחה המהירה של פרויקטי הקונקטום ומחקרים נלווים בשנים האחרונות מעידים על כך שחקר הקונקטום מוכיח עצמו כמקדם רעיוני פורה עבור מערכות ומדעי המוח הקוגניטיביים, וטומן בחובו הבטחה גדולה לחשיפת מסתרי המוח ולפיתוח תובנות חדשות לגבי תופעות נוירולוגיות ופסיכולוגיות, כמו מחלת אלצהיימר, סכיזופרניה והפרעות בספקטרום האוטיסטי. מדיה וקבצים בנושא קונקטום בוויקישיתוף Andreas Horn, Dirk Ostwald, Marco Reisert, Felix Blankenburg, The structural–functional connectome and the default mode network of the human brain, NeuroImage, Multimodal Data Fusion 102, 2014-11-15, עמ' 142–151 doi: 10.1016/j.neuroimage.2013.09.069 Dirk Jan Ardesch, Lianne H. Scholtens, Martijn P. van den Heuvel, Chapter 6 - The human connectome from an evolutionary perspective, כרך 250, Elsevier, 2019-01-01, Evolution of the Human Brain: From Matter to Mind, עמ' 129–151 Marco Catani, Michel Thiebaut de Schotten, David Slater, Flavio Dell'Acqua, Connectomic approaches before the connectome, NeuroImage, Mapping the Connectome 80, 2013-10-15, עמ' 2–13 doi: 10.1016/j.neuroimage.2013.05.109 Connectome, Oxford English Dictionary Olaf Sporns, Giulio Tononi, Rolf Kötter, The Human Connectome: A Structural Description of the Human Brain, PLOS Computational Biology 1, 30 בספט׳ 2005, עמ' e42 doi: 10.1371/journal.pcbi.0010042 Olaf Sporns, The human connectome: a complex network, Annals of the New York Academy of Sciences 1224, 2011-04, עמ' 109–125 doi: 10.1111/j.1749-6632.2010.05888.x Bharat B. Biswal, Maarten Mennes, Xi-Nian Zuo, Suril Gohel, Clare Kelly, Steve M. Smith, Christian F. Beckmann, Jonathan S. Adelstein, Randy L. Buckner, Stan Colcombe, Anne-Marie Dogonowski, Monique Ernst, Damien Fair, Michelle Hampson, Matthew J. Hoptman, James S. Hyde, Vesa J. Kiviniemi, Rolf Kötter, Shi-Jiang Li, Ching-Po Lin, Mark J. Lowe, Clare Mackay, David J. Madden, Kristoffer H. Madsen, Daniel S. Margulies, Helen S. Mayberg, Katie McMahon, Christopher S. Monk, Stewart H. Mostofsky, Bonnie J. Nagel, James J. Pekar, Scott J. Peltier, Steven E. Petersen, Valentin Riedl, Serge A. R. B. Rombouts, Bart Rypma, Bradley L. Schlaggar, Sein Schmidt, Rachael D. Seidler, Greg J. Siegle, Christian Sorg, Gao-Jun Teng, Juha Veijola, Arno Villringer, Martin Walter, Lihong Wang, Xu-Chu Weng, Susan Whitfield-Gabrieli, Peter Williamson, Christian Windischberger, Yu-Feng Zang, Hong-Ying Zhang, F. Xavier Castellanos, Michael P. Milham, Toward discovery science of human brain function, Proceedings of the National Academy of Sciences 107, 2010-03-09, עמ' 4734–4739 doi: 10.1073/pnas.0911855107 Network Centrality in the Human Functional Connectome, academic.oup.com {{{מחבר}}}, The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. B, Biological Sciences 314, 1986-11-12, עמ' 1–340 doi: 10.1098/rstb.1986.0056 Louis K Scheffer, C Shan Xu, Michal Januszewski, Zhiyuan Lu, Shin-ya Takemura, Kenneth J Hayworth, Gary B Huang, Kazunori Shinomiya, Jeremy Maitlin-Shepard, Stuart Berg, Jody Clements, Philip M Hubbard, William T Katz, Lowell Umayam, Ting Zhao, David Ackerman, Tim Blakely, John Bogovic, Tom Dolafi, Dagmar Kainmueller, Takashi Kawase, Khaled A Khairy, Laramie Leavitt, Peter H Li, Larry Lindsey, Nicole Neubarth, Donald J Olbris, Hideo Otsuna, Eric T Trautman, Masayoshi Ito, Alexander S Bates, Jens Goldammer, Tanya Wolff, Robert Svirskas, Philipp Schlegel, Erika Neace, Christopher J Knecht, Chelsea X Alvarado, Dennis A Bailey, Samantha Ballinger, Jolanta A Borycz, Brandon S Canino, Natasha Cheatham, Michael Cook, Marisa Dreher, Octave Duclos, Bryon Eubanks, Kelli Fairbanks, Samantha Finley, Nora Forknall, Audrey Francis, Gary Patrick Hopkins, Emily M Joyce, SungJin Kim, Nicole A Kirk, Julie Kovalyak, Shirley A Lauchie, Alanna Lohff, Charli Maldonado, Emily A Manley, Sari McLin, Caroline Mooney, Miatta Ndama, Omotara Ogundeyi, Nneoma Okeoma, Christopher Ordish, Nicholas Padilla, Christopher M Patrick, Tyler Paterson, Elliott E Phillips, Emily M Phillips, Neha Rampally, Caitlin Ribeiro, Madelaine K Robertson, Jon Thomson Rymer, Sean M Ryan, Megan Sammons, Anne K Scott, Ashley L Scott, Aya Shinomiya, Claire Smith, Kelsey Smith, Natalie L Smith, Margaret A Sobeski, Alia Suleiman, Jackie Swift, Satoko Takemura, Iris Talebi, Dorota Tarnogorska, Emily Tenshaw, Temour Tokhi, John J Walsh, Tansy Yang, Jane Anne Horne, Feng Li, Ruchi Parekh, Patricia K Rivlin, Vivek Jayaraman, Marta Costa, Gregory SXE Jefferis, Kei Ito, Stephan Saalfeld, Reed George, Ian A Meinertzhagen, Gerald M Rubin, Harald F Hess, Viren Jain, Stephen M Plaza, A connectome and analysis of the adult Drosophila central brain, eLife 9, 2020-09-03, עמ' e57443 doi: 10.7554/eLife.57443 Paul Brooks, Andrew Champion, Marta Costa, Mapping of the zebrafish brain takes shape, Nature Methods 19, 2022-11, עמ' 1345–1346 doi: 10.1038/s41592-022-01637-6 Wang et al./, The Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: A 3D Reference Atlas, Cell 181, 2020, עמ' 936–953 Allen Institute for Brain Science: Science: Public Resources: Atlases: Allen Mouse Brain Atlas, web.archive.org, ‏2012-04-21 Chihiro Yokoyama, Joonas A. Autio, Takuro Ikeda, Jérôme Sallet, Rogier B. Mars, David C. Van Essen, Matthew F. Glasser, Norihiro Sadato, Takuya Hayashi, Comparative connectomics of the primate social brain, NeuroImage 245, 2021-12-15, עמ' 118693 doi: 10.1016/j.neuroimage.2021.118693 Jennifer Stine Elam, David Van Essen, Human Connectome Project, New York, NY: Springer, 2022, עמ' 1647–1650, ISBN 978-1-0716-1006-0. (באנגלית) Olaf Sporns, The human connectome: Origins and challenges, NeuroImage, Mapping the Connectome 80, 2013-10-15, עמ' 53–61 doi: 10.1016/j.neuroimage.2013.03.023