רשת עצבית

רשת עצבית (באנגלית Biological neural network) היא אוסף של תאי עצב (נוירונים) או אזורי מוח שונים שמקושרים ביניהם, בין אם זהו קשר מבני על ידי סינפסות וסיבים עצביים ובין אם זוהי קישוריות תפקודית. המוח האנושי מורכב מכ-1011 נוירונים ומכ־1014 סינפסות, שמרכיבות את הרשת העצבית הגלובלית, הקונקטום האנושי. הרשת העצבית מתפתחת לאורך החיים אך מאבדת מיעילותה בשנים המאוחרות לחיים. בחקר הרשת העצבית האנושית נתגלו מספר רשתות עצביות שונות המשתתפות בתהליכים קוגניטיביים וסנסוריים שונים. פגיעה במבנה או בתפקוד שלהם יכולה להוביל לפגיעה בתפקודים אלו, להפרעות פסיכולוגיות, ולמחלות שונות. בחקר הרשת העצבית נהוג להשתמש בתאוריה מתמטית ששמה תורת הגרפים כדי לייצר מודל של הרשת העצבית ולנתח את המאפיינים השונים של הרשת. הגרף מוגדר כאוסף של צמתים והקשרים ביניהם. הקשרים בין הצמתים יכולים להצביע על כיוון הקשר וגם על עוצמת הקשר. בחקירת רשת עצבית בוחנים את יחסי הגומלין בין הצמתים, הקשרים ביניהם, והארגון המרחבי שלהם. ניתן להמיר את הייצוג הגרפי למטריצת שכנות, שבה הצמתים נמצאים בשוליים, והקשרים ביניהם מיוצגים בתוך המטריצה עצמה. הצמתים ברשת יכולים להיות נוירונים בודדים, מקבץ של נוירונים שמכיל מאות עד אלפי תאים או אזורי מוח שונים. הקשרים ביניהם יכולים להיות פיזיים על ידי סינפסות ואקסונים, או תפקודיים, כלומר פעילות בו זמנית של כמה צמתים אך ללא הכרח של חיבור פיזי ביניהם. אוסף של כמה צמתים שקרובים זה לזה ומקושרים ביניהם נקרא מודול (Module), וצמתים שאליהם מחוברים צמתים רבים אחרים נקראים מרכזת (Hubs). הרשת המוחית מתאפיינת בארכיטקטורה של רשת עולם קטן (Small world network). ברשת מסוג זה יש קישוריות גדולה בין צמתים שקרובים זה לזה, ומספר מרכזות שאליהם מחוברים צמתים רבים ומשמשים כ"גשר" בין מודולות ברשת, כך שמידע יכול לזרום מצומת לצומת בצורה יעילה. קמילו גולג'י פיתח ב-1873 טכניקת צביעה (שיטת גולג'י) שאפשרה את צביעתם של תאי מוח כדי לבחון את המבנה שלהם. גולג'י טען שהמוח בנוי מרשת מחוברת של תאים שאינם נפרדים זה מזה, לעומתו, טען סנטיאגו רמון אי קחאל שהמוח מורכב מתאים בודדים שאינם מחוברים זה לזה בצורה פיזית, אך עדיין מתקשרים זה עם זה. בדיעבד, התברר שקחאל צדק (כאשר הסינפסה החשמלית היא היוצאת מן הכלל). העניין בחקר הרשתות המוחיות נמשך עם קארל לאשלי שחקר למידה וזיכרון כפונקציה של קישוריות בין אזורי מוח שונים. תלמידו של לאשלי, דונלד הב, שלימים נעשה לאחד מחוקרי המוח המשפיעים ביותר, המשיך את חקר הזיכרון והקישוריות ברמה התאית. אחת מן התגליות המשמעותיות שלו הייתה שכאשר נוירונים פועלים בו זמנית, מתחזק הקשר ביניהם. בשנת 2013 החלו פועלים שני פרויקטים בינלאומיים גדולים שמטרתם למפות את כל הקשרים הקיימים במוח האנושי, פרויקט ה-BRAIN Initiative שיזם הנשיא אובמה, ופרויקט המוח האנושי שיזם האיחוד האירופי. הנחת המוצא של הפרויקטים הללו היא שכאשר נדע את מיקומה של כל סינפסה וסינפסה ברשת העצבית של המוח, נוכל להבין בצורה טובה יותר את תפקודו בבריאות ובחולי. ניתן לבחון את הרשת העצבית ברמות רזולוציה שונות – מהרמה התאית של סינפסות בין נוירונים עד לרמת הרשת הגדולה של כל המוח. חקר הרשת המוחית בבני אדם מתמקד בעיקר ברמה הגלובלית של הרשת העצבית, בעיקר מכיוון שכלי המחקר הזמינים כיום לא מאפשרים בחינה של הרשת העצבית ברמה התאית במוח האנושי. הכלים השכיחים ביותר לחקר הרשת העצבית בבני אדם הם הדמיית מערכות הסיבים במוח (DTI – Diffusion tensor imaging), שיטת דימות תהודה מגנטית שבוחנת את מבנה הרשת על ידי ייצור תמונה של צבירים גדולים של אקסונים שמחברים בין אזורי מוח שונים, ודימות תהודה מגנטית תפקודי (המכונה גם fMRI), שבעזרתו ניתן לבחון את תפקוד הרשת באופן עקיף, למשל על ידי בחינת הקורלציות בזרימת הדם לאזורי מוח שונים. לכלים אלה יתרונות וחסרונות שונים. כאשר בוחנים את הרשת העצבית בעזרת כלים מבניים, המסקנות שניתן להסיק הן מוגבלות מבחינת התפקוד של הרשת העצבית: להצביע על חיבוריות בין אזורים שונים אך לא על כיוון הקשר, עוצמתו ופעילותו בזמן אמת. כשבוחנים את הרשת העצבית בעזרת כלים תפקודיים, ניתן לבדוק את פעילות הרשת המוחית תוך כדי ביצוע פעולות בזמן אמת, אך קשה להסיק מסקנות לגבי מבנה הרשת העצבית. למשל, לא ניתן להסיק שאזורים שפועלים בו זמנית ויוצרים רשת תפקודית הם גם מקושרים על ידי אקסונים. התפתחות המוח מתחילה עוד בשלבים המוקדמים של העוברות וממשיכה לאחר הלידה עד לסוף גיל ההתבגרות. בתקופות המוקדמות שלאחר הלידה מתרחש תהליך נרחב שנקרא מיאליניזציה שבו תאי גליה ששמם אוליגודנדרוציטים, עוטפים את אקסוני הנוירונים במעטפת שומנית שנקראת מיאלין. מעטפת המיאלין מגבירה את מהירות הולכה העצבית ומשפרת את יעילות העברת המידע ברשת העצבית. בנוסף לתהליך המיאליניזציה, נוצרים קשרים חדשים ברשת המוחית בקצב מואץ. הקשרים נוצרים גם בין אזורי מוח שונים וגם בין נוירונים בודדים על ידי יצירת סינפסות חדשות. לאחר סיומה של תקופת יצירת הקשרים המואצת, הקשרים והסינפסות מתחילות להתמעט בתהליך של גיזום סינפטי שנמשך עד גיל ההתבגרות. תהליכי המיאליניזציה, יצירת וויסות הקשרים לאורך תקופת ההתפתחות המוקדמת ולאורך החיים הבוגרים תורמים לשיפור יעילות מעבר המידע בין המודולות המוחיות ולשיפור מבנה הרשת כרשת עולם קטן. בבגרות המאוחרת ישנה ירידה ביעילות הגלובלית של הרשת המוחית וזו מאבדת חלק מתכונותיה כרשת עולם קטן. למשל, יש ירידה ברמת הקישוריות בין אזורי מוח שונים. הירידה בקישוריות יכולה להוביל לפגיעה במהירות עיבוד המידע בתחומים השונים שעליהם אחראיות רשתות שונות, למשל ירידה במהירות העיבוד השפתי כאשר נפגעת הרשת השפתית, או פגיעה בתפיסה מרחבית כאשר ישנה פגיעה ברשת האחראית על כך. הרשתות העצביות במוח האנושי הן בעצם תתי-רשתות, כלומר כל רשת מורכבת מרשתות קטנות שמחוברות זו לזו. הרשתות העצביות יוצרות מודולות שאחראיות על תפקודים מסוימים, אך לא רק, מפני שישנה חפיפה מסוימת בין הרשתות השונות. מספר רשתות עצביות עיקריות זוהו במוח האנושי רשת ברירת המחדל – רשת זו פעילה כאשר האדם נמצא במנוחה ואינו מבצע מטלה כלשהי. האזורים העיקריים שנמצאים ברשת זו הם הקורטקס המדיאלי הפרה-פרונטלי, האונות הטמפורליות האמצעיות, ופיתול החגורה האחורי. רשת הבקרה הניהולית (Executive control network) – רשת זו פעילה כאשר האדם מפעיל תהליכי בקרה ואינהיביציה, יוזם פעולות, בתכנון, בזיכרון עבודה ועוד. האזורים העיקריים שנמצאים ברשת זו הם הקורטקס הפרה-פרונטלי דורסולטרלי, הקורטקס האורביטו-פרונטלי, ופיתול החגורה הקדמי. רשת הקשב (Attention network) – רשת הקשב פועלת לעיתים בניגוד לרשת הבקרה מפני שתפקידה הוא להפנות את תשומת הלב של האדם לגירויים חשובים בסביבתו. האזורים העיקריים שנמצאים ברשת זו הם הקורטקס הטמפורלי-פריאטלי, וה-Inferior frontal cortex. רשת התחושתית-המוטורית (Sensorimotor network) – רשת זו אחראית על התחושות הסנסוריות (בעיקר מן העור), ועל תכנון וביצוע פעולות מוטוריות. רשת זו פועלת גם כאשר אנו צופים באנשים אחרים מבצעים פעולות מוטוריות וסנסוריות. האזורים העיקריים שנמצאים ברשת זו הם הקורטקס הסומטוסנסורי (Somatosensory cortex) הראשוני והמשני, והקורטקס המוטורי הראשוני והמשני. רשת הבולטות – רשת המעורבת בהפניית קשב לעבר אובייקט משמעותי לאורגנזים, ובתיווך ההפעלה לשל רשתות אחרות במוח. מרכזה באינסולה ובפיתול החגורה הקדמי הגבי (dACC). הרשתות העצביות אינן מוגבלות רק לקליפת המוח. למשל, קיימת רשת עצבית ענפה בין התלמוס (שמהווה תחנת ממסר חושית), אזורים שונים בקליפת המוח, והצרבלום (שתפקידו ברשת הזו אינו ברור לחלוטין). קיימת סברה שמחלות נוירו-דגנרטיביות ופסיכופתולוגיות מסוימות נובעות לאו דווקא מפגיעה בתפקוד או מבנה של אזור מוחי ספציפי, אלא מחריגה מהמבנה והתפקוד התקינים של רשתות עצביות שונות במוח. עם זאת, רוב המחקרים בנושא הם מתאמיים ולכן ברוב המקרים לא ניתן לדעת האם האבנורמליות ברשת העצבית גרמה למחלה או להפך. אלצהיימר – אצל חולי אלצהיימר נמצאה אבנורמליות ברשת ברירת המחדל, ברשת הפרונטו-פריאטלית וברשתות הקשב. הצמתים העיקריים שנפגעים הם פיתול החגורה האחורי, ההיפוקמפוס, ה-Entorhinal cortex, האינסולה והקורטקס הפרה-פרונטלי. בנוסף לפגיעה בצמתים, יש פגיעה בקישוריות המוחית, כלומר פגיעה בחיבורים המקומיים בתוך כל מודולה, אך לא בקישוריות הגלובלית בין אזורים שונים. סכיזופרניה – בסכיזופרניה קיימת ירידה ברמת הקישוריות בין אזורים קדמיים-טמפורליים וקדמיים-פריאטליים. ישנה השערה שהפגיעה בזיכרון העבודה בסכיזופרניה נובעת בין היתר מפגיעה באקסונים של הנוירונים הנמצאים בקורטקס הפרה-פרונטלי הדורסולטרלי. ברמת הרשת הגלובלית, ישנה פגיעה גם בקישוריות המקומית בתוך המודולות השונות וגם בקישוריות הגלובלית בין אזורי מוח שונים. הפרעות חרדה – ישנם מספר מאפיינים דומים באבנורמליות הרשתית בין הפרעות חרדה שונות כגון הפרעת דחק פוסט-טראומתית, הפרעת חרדה כללית, הפרעת חרדה חברתית ופוביות. בהפרעות חרדה ניתן להבחין באבנורמליות בקישוריות בין האמיגדלה לבין אזורי מוח קורטיקליים ותת-קורטיקליים. למשל ישנה קישוריות מוגברת בין האמיגדלה לבין אזורים בקורטקס כגון האינסולה והקורטקס הפרה-פרונטלי. חומר לבן פרויקט המוח האנושי רשת עצבית מלאכותית מדיה וקבצים בנושא רשת עצבית בוויקישיתוף מהן רשתות נוירונים ממוחשבות?, באתר אנציקלופדיה אאוריקה התפתחות תורת הגרפים איך פועלים העצבים? רשת עצבית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מעגלים עצביים, דף שער בספרייה הלאומית Ed Bullmore, Olaf Sporns, Complex brain networks: graph theoretical analysis of structural and functional systems, Nature Reviews Neuroscience 10, עמ' 186–198 doi: 10.1038/nrn2575 Danielle Smith Bassett, Ed Bullmore, Small-World Brain Networks, The Neuroscientist 12, 2016-06-29, עמ' 512–523 doi: 10.1177/1073858406293182 Ed Bullmore, Olaf Sporns, Complex brain networks: graph theoretical analysis of structural and functional systems, Nature Reviews Neuroscience 10, עמ' 186–198 doi: 10.1038/nrn2575 Networks of the Brain, MIT Press (באנגלית) Shepherd, Gordon M., 1933-, Creating modern neuroscience : the revolutionary 1950s, Oxford University Press, 2009 Steven L. Bressler, Vinod Menon, Large-scale brain networks in cognition: emerging methods and principles, Trends in Cognitive Sciences 14, 2010-06-01, עמ' 277–290 doi: 10.1016/j.tics.2010.04.004 Joan Stiles, Terry L. Jernigan, The Basics of Brain Development, Neuropsychology Review 20, 2010-12-01, עמ' 327–348 doi: 10.1007/s11065-010-9148-4 Wei Wen, Wanlin Zhu, Yong He, Nicole A. Kochan, Discrete Neuroanatomical Networks Are Associated with Specific Cognitive Abilities in Old Age, Journal of Neuroscience 31, 2011-01-27, עמ' 1204–1212 doi: 10.1523/jneurosci.4085-10.2011 Kai Wu, Yasuyuki Taki, Kazunori Sato, Shigeo Kinomura, Age-related changes in topological organization of structural brain networks in healthy individuals, Human Brain Mapping 33, 2012-03-01, עמ' 552–568 doi: 10.1002/hbm.21232 Dongyang Zhang, Marcus E. Raichle, Disease and the brain's dark energy, Nature Reviews Neurology 6, עמ' 15–28 doi: 10.1038/nrneurol.2009.198 Deanna M. Barch, Cerebellar-Thalamic Connectivity in Schizophrenia, Schizophrenia Bulletin 40, 2014-11-01, עמ' 1200–1203 doi: 10.1093/schbul/sbu076 Andreea C. Bostan, Richard P. Dum, Peter L. Strick, Cerebellar networks with the cerebral cortex and basal ganglia, Trends in Cognitive Sciences 17, 2013-05-01, עמ' 241–254 doi: 10.1016/j.tics.2013.03.003 Vinod Menon, Large-scale brain networks and psychopathology: a unifying triple network model, Trends in Cognitive Sciences 15, 2011-10-01, עמ' 483–506 doi: 10.1016/j.tics.2011.08.003