מדעי המוח

מדעי המוח (באנגלית: Neuroscience, או Neurobiology) הם מדעים בין־תחומיים החוקרים את כל ההיבטים השונים של מערכת העצבים בבעלי חיים ובבני אדם.

מדעי המוח כללו בראשיתם בעיקר את תחום הנוירוביולוגיה – החקר של הביולוגיה התאית והמולקולרית של תאי העצב (הנוירונים) ושל התאים האחרים, המבנים והאיברים של מערכת העצבים. בעשורים האחרונים התרחבו מדעי המוח בצורה ניכרת ותחומי מחקר רבים נוספו להם. למרות זאת רבים עדיין רואים את המונחים "מדעי העצב" ו"נוירוביולוגיה" כמקבילים. מדעי המוח (באנגלית: Neuroscience) קרויים בעברית גם מדעי העצב, מכיוון שבתחום זה נחקרים גם מערכות עצבים פשוטות של בעלי חיים נטולי מוח או עצבים של ממש, שלהם רשת תאי עצב בלבד (לדוגמה C. elegans).

שני תחומים מסורתיים נוספים הנכללים במדעי המוח הם הנוירולוגיה והפסיכיאטריה, שני תחומים רפואיים המתמקדים במחלות ובפתולוגיה של מערכת העצבים, עם התמקדות של הפסיכיאטריה במחלות נפש.

כיום מדעי המוח כוללים בין השאר את התחומים הבאים:

פסיכוביולוגיה עוסקת בקשר בין תהליכים ביולוגיים לבין התנהגות, בבני אדם ובבעלי חיים.
נוירופסיכולוגיה חוקרת את הקשר בין תפקוד המוח לתהליכים פסיכולוגיים, תוך התמקדות בטיפול בבעיות קליניות.
מדעי המוח הקוגניטיביים עוסקים בחקר הבסיס העצבי להכרה האנושית ולתהליכי עיבוד וייצוג ידע, ולקשר שלהם להתנהגות. המחקר בתחום זה חופף לעיתים לפסיכוביולוגיה.
נוירוביולוגיה מערכתית מתמקדת באינטראקציות שבין מיליוני הנוירונים במוח והרשתות המורכבות להפליא שהם יוצרים.
נוירוביולוגיה התפתחותית חוקרת את היווצרותה והתפתחותה של מערכת העצבים מרגע ההפריה ועד להגעת הייצור לבגרות.
מדעי המח החישוביים עוסקים בחקר פעילות, התפתחות ויכולות מערכת העצבים באמצעות שימוש בכלים מתחומי המתמטיקה, מדעי המחשב ואלגוריתמיקה. בתחום זה נעשה שימוש נרחב בסימולציות ממוחשבות על מנת לתקף מודלים חישוביים המנסים להתחקות אחר עקרונות הפעולה של מערכת העצבים וחלקיה השונים.
קיברנטיקה ביולוגית חוקרת את האופן שבו קולט היצור אותות מהסביבה ומעבד אותם.
נוירוכימיה ונוירוביוכימיה חוקרות את התרכובות הייחודיות למערכת העצבים (מוליכים עצביים, למשל), את הסינתזה והפירוק שלהן ואת האופן בו הן נקלטות על ידי קולטנים.
פסיכונוירואימונולוגיה חוקרת את הקשרים בין מערכת החיסון לבין המצב הנפשי.
נוירופרמקולוגיה מתמקדת בתרופות המשפיעות על מערכת העצבים.
נוירוכירורגיה הוא ענף ישומי העוסק בניתוחים פולשניים במוח.
נוירופסיכיאטריה עוסקת בהיבטים הנוירוביולוגים של הפסיכאטריה כולל מחקר על הפרעות נפשיות והקשר בינם לבין מיפוי המוח.

חלק ניכר מהמחקר בתחומים של מדעי המוח מתמקד במבנה ובתפקוד של מערכת העצבים והאזורים השונים בתוכה, זאת תוך שימוש בשלל שיטות ומכשירים.

בשל סיבות פרקטיות ואתיות, חלק מהשיטות אינן תמיד ישימות כאשר מדובר במחקר בבני אדם. במקרים אלה, משתמשים במחקרים הנערכים על אורגניזם מודל (לרוב חולדות או פרימטים) כדי להסיק על מבנים פיזיולוגיים מקבילים ועל התנהגויות דומות בבני אדם.

חקר מבנה המוח ומרכיביו

דימות רפואי משמש במדעי המוח ככלי מחקרי לקבלת תמונות של מבנה המוח ביצור החי. הכלי הנפוץ ביותר הוא סריקות דימות תהודה מגנטית (MRI) של מערכת העצבים המרכזית, אם כי נעשה שימוש גם בכלים נוספים כגון סריקת טומוגרפיה ממוחשבת (CT), המבוססת על קרני רנטגן.

בנוסף, מבנה המוח נחקר על ידי הסתכלות על רקמות תחת מיקרוסקופ. לצורך כך, נחתכות 'פרוסות' של רקמת מוח לאחר מותו של היצור. שיטות איתור וצביעה מיוחדות מאפשרות התמקדות במאפיינים שונים של המוח:

מאפיין חשוב של מערכת העצבים הוא הקישוריות בין תאי עצב ובין אזורים שונים של המוח. על מנת לאתר את הקישורים בין תאי העצב, פותחו טכניקות שונות המנצלות את המנגנון התאי להובלת שלפוחיות סינפטיות ואברונים אחרים בין גוף תא העצב לקצה האקסון. נגיפים או מולקולות המשמשים כסמנים נספגים על ידי תא עצב מסוים, והחוקרים עוקבים אחרי תנועתם במעלה/במורד האקסון כדי ללמוד על מסלול הקישור בינו לבין תאים הנמצאים אחריו או לפניו בשרשרת ההולכה העצבית.
אימונוהיסטוכימיה היא שיטת מחקר ביולוגית המשתמשת בנוגדנים על מנת לאתר ולסמן ברקמה ריכוזים של חלבון מסוים, ולכן מאפשרת ללמוד על קיומם ופעילותם של אנזימים וחלבונים אחרים באזורי המוח השונים.

חקר תפקוד האזורים במוח

כלים אלה הם רלוונטיים במיוחד עבור תחומים העוסקים בקשר בין הפעילות המוחית לבין התנהגות, כגון נוירולוגיה, פסיכוביולוגיה, מדעים קוגניטיביים ונוירופסיכולוגיה.

מחקרי לזיות – אחת הדרכים לבחון את תפקידו של אזור במערכת העצבים של אורגניזם מסוים היא לבדוק מהי ההשפעה של נזק הנגרם לאותו אזור. כך, התסמינים של חולים הסובלים מנזק מוחי (למשל עקב שבץ או טראומה אחרת) הם אינדיקציה מסוימת לתפקיד שהאזורים שנפגעו ממלאים באדם בריא. במחקרים מתוכננים שנערכים על חיות ניסוי, ניתן לגרום לנזק ממוקד ברקמה העצבית (לזיה), באזור ספציפי שבו החוקרים מתעניינים. בהמשך, על ידי התבוננות בהתנהגות החיה לאחר הרס הרקמה, המחקר מנסה לשער מה היה תפקודו של אותו אזור. ההליך, אשר מתבצע בעזרת אלקטרודה חשמלית אשר מוחדרת לאתר המטרה בניתוח סטריאוטקטי, משמיד את כל הרקמה הנמצאת בסמוך לקצה האלקטרודה. עם זאת, קיימות גם שיטות ליצירת לזיות כימיות ממוקדות יותר, אשר נועדו לפגוע רק בגופי תאים או אפילו רק בתאי עצב מסוג מסוים (לדוגמה תאים דופמינרגיים).

תיעוד פעילות עצבית בזמן אמת – פותחו מספר שיטות המודדות את הפעילות העצבית בזמן אמת, ובכך מאפשרות לראות את אופי הפעילות בעת ביצוע התנהגות מסוימת. בהתאם למכשירים שבהם משתמשים, המבנים שפעילותם נמדדת נעים מרמת הנוירון הבודד, דרך תבנית הפעלתם של אזורים שלמים, ועד למאפיינים של הפעילות החשמלית במוח כולו.

מיקרואלקטרודות ואלקטרודות מאפשרות רישום חשמלי של דחפים עצביים בתא עצב בודד או בקבוצת תאי עצב. לשיטה זו הרזולוציה המרחבית וכן הזמנית הטובות ביותר. במחקר העושה שימוש בבעלי חיים ניתן לשתול אלקטרודות ולרשום פעילות עצבית מקומית כאשר החיה מורדמת או כאשר היא ערה ומבטאת התנהגויות אותן החוקרים מעוניינים לחקור. בבני אדם ניתן להשתמש ברישום הפעילות החשמלית מאלקטרודות מושתלות כאשר אלו נחוצות לשם הליך רפואי כגון הכנה לניתוח הוצאת גידול סרטני או מוקד אפילפטי (הליך מחקרי זה נקרא Electrocorticography – אנ').
סריקות PET - הליך שבו מזריקים לנבדק מולקולות גלוקוז, אשר עברו שינוי כך שהן פולטות קרינה רדיואקטיבית. לאחר מכן, מכשיר ה-PET יוצר תמונה תלת-ממדית של כמות הקרינה הנפלטת באזורים שונים בתוך הגוף, ובכך מעיד על הצריכה המטבולית של גלוקוז באותם מקומות. ההנחה היא שככל שאזור במוח פעיל יותר כך הוא צורך כמות רבה יותר של גלוקוז, ולכן סריקת ה-PET משקפת את רמת הפעילות של מבנים שונים במוח בנקודת זמן מסוימת.
דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) – זהו שימוש ייעודי במכשירי דימות תהודה מגנטית, שבעזרתו אפשר למפות אזורים של זרימת דם מוגברת במוח, המעידים בעקיפין על פעילות עצבית מוגברת במקומות בהן היא מופיעה. שיטה זו מתבססת על התכונות המגנטיות של החלבון המוגלובין, המשתנות בהתאם למספר מולקולות החמצן שהוא נושא. זוהי לרוב השיטה המועדפת למיפוי פעילות המוח, כיוון שהיא מתאפיינת ברזולוציה גבוהה למדי, אינה פולשנית, ומשתמשת במכשור שהוא יחסית נגיש. מחקרים בשיטה זו הנערכים על בני אדם מספקים מידע רב על מוקדי פעילות במוח ותפקידם בעת ביצוע שלל פעולות קוגניטיביות, רגשיות ומוטוריות. בניגוד לרזולוציה המרחבית הגבוהה, לשיטה זו ישנו חסרון של רגישות נמוכה בציר הזמן בשל האיטיות של התגובה הנמדדת.
אלקטרואנצפלוגרם (EEG) – רישום הפעילות החשמלית במוח כולו בעזרת אלקטרודות רושמות המוצמדות לגולגולת. הדפוסים המתקבלים מכונים גלי מוח, והם משקפים את הפעילות והסינכרוניות של רשת הנוירונים הנרחבת הקיימת במוח. שיטה זו משמשת בעיקר למחקרים בנושא שינה, וכן לאבחון של אפילפסיה.
מגנטואנצפלוגרפיה (MEG) – בשיטה זו נמדדים שדות מגנטיים הנוצרים על ידי פעילות חשמלית במוח. הדבר דומה מעט ל-EEG, אולם ההבדלים בין כיוון השדה החשמלי וזה המגנטי גורמים לכך ששתי שיטות הדמיה אלו יהיו רגישות לפעילות באזורים מעט שונים. ל-MEG רזולוציה מרחבית טובה יותר מאשר ל-EEG, אולם הוא נייח, יקר מאוד, ומורכב יותר לתפעול.
ספקטרוסקופיה פונקציונלית כמעט-אינפרא-אדום (אנ') (fNIRS) – בשיטה זו פעילות המוח נמדדת באמצעות אור קרוב לאינפרא אדום כדי להעריך את זרימת הדם בקליפת המוח המתרחשת בתגובה לפעילות עצבית.

השפעה זמנית על ההולכה העצבית

גירוי מגנטי חוץ-גולגולתי (TMS) – שיטה המשתמשת בהשראה אלקטרומגנטית על מנת לייצר דחפים עצביים על פני אזור מסוים בקליפת המוח ובכך להשפיע על הפעילות המוחית (למשל ליצור הפעלה של המערכת המוטורית).

גירוי מוחי עמוק (DBS) – בהליך זה, אשר משמש גם כשיטת טיפול נוירולוגית, מושתלות אלקטרודות באתרי מטרה בתוך המוח. האלקטרודות נשלטות על ידי קוצב השולח גירוי חשמלי לאותו אזור. מנגנוני הפעולה שדרכם משפיע הגירוי על הפעילות העצבית עדיין אינם ברורים, אך לעיתים הוא משפיע על אזורים במוח בצורה דומה ללזיות. יתרונו הגדול ככלי מחקרי הוא בכך שניתן לשלוט מבחוץ בזמן אמת על הגירוי החשמלי בעוד האדם/החיה מסתובבים בחופשיות. בצורה זו אפשר להיווכח בהשפעה של גירוי או 'שיבוש' באזור מוחי מסוים על ההתנהגות, גם בתנאים של סמיות כפולה.

אריק קנדל, ג'יימס שוורץ, תומאס ג'סל, Principles of Neural Science – ה"תנ"ך" של מדעי המוח, McGraw-Hill 2012
מיכאל הגנר, המוח האנושי – מחשבות ביקורתיות על מדעי המוח, רסלינג, 2012.
רועי שני, "סיעור מוחות", גליליאו, יוני 2012, עמ' 22–25.