מחקר של ד"ר נחום אולנובסקי ותלמיד המחקר מיכאל ירצב ממכון ויצמן למדע, התפרסם היום (שישי) בכתב-העת המדעי Science, מגלה לראשונה כיצד מיוצג המרחב התלת-ממדי במוח של יונקים.
המחקר נעשה באמצעות מערכת ממוזערת ייחודית, שפותחה במיוחד למטרה זו, אשר מאפשרת למדוד פעילות של תאי עצב בודדים בזמן תעופה.
השאלה כיצד בעלי-חיים מתמצאים במרחב נחקרה רבות, אך עד כה רק בהקשר דו-ממדי. ידוע כי קיימים "תאי מקום", שהינם תאי עצב השוכנים בהיפוקמפוס - מבנה מוחי שקשור בזיכרון, ובפרט בזיכרון מרחבי. כל אחד מתאי המקום אחראי על אזור מוגדר במרחב, ומשגר איתות חשמלי כאשר בעל-החיים נמצא באזור זה. באופן זה, כל תאי המקום יוצרים, יחד, ייצוג מלא של המרחב כולו. אך למעשה, הניווט של בעלי-חיים רבים, ושל בני-אדם, נעשה במרחב תלת-ממדי. ועם זאת, ניסיונות להרחיב את היריעה משני ממדים לשלושה נתקלו בקשיים.
אחד הניסיונות הבולטים בתחום זה בוצע בשיתוף בין אוניברסיטת אריזונה לסוכנות החלל האמריקאית, נאס"א. במסגרתו שוגרו חולדות לחלל (במעבורת החלל). בסופו של דבר, הניסוי לא סיפק את הנתונים הדרושים מאחר והחולדות אומנם נעו בחוסר כבידה בחלל תלת-ממדי,
אך למעשה הן רצו על מסלול קווי, חד-ממדי. ניסיונות אחרים שהשתמשו בהטלות של המרחב התלת-ממדי על משטח דו-ממדי, נכשלו גם הם. המסקנה הייתה שכדי להבין תנועה במרחב תלת-ממדי הכרחי לאפשר לבעל-החיים לנוע באופן שממלא את כל שלושת הממדים; כלומר, יש לחקור בעלי-חיים מעופפים.
ד"ר אולנובסקי בחר בעטלף פירות ישראלי – בעל-חיים נוח לניסויים, וגדול יחסית, ולכן אפשר לחבר אליו מערכות מדידה ורישום אלחוטיות, שאינן מפריעות לתנועתו החופשית. מאמץ הפיתוח של מערכת המדידה המתוחכמת נמשך מספר שנים, תוך שיתוף פעולה בין ד"ר אולנובסקי לבין חברה מסחרית בארה"ב. בסופו התקבלה מערכת אלחוטית, קלה (משקלה 12 גרם, כ-7% ממשקל העטלף), ובה אלקטרודות המודדות את פעילותם של תאי עצב בודדים במוח העטלף. אתגר נוסף שעמד בפני המדענים היה להתאים את התנהגות העטלפים למטרת הניסוי. באופן טבעי, העטלפים עפים ליעדם – לדוגמה, לעץ הפרי – בקו ישר, כלומר באופן חד-ממדי, ואילו לצורך הניסוי היה עליהם לעופף בחופשיות כך שימלאו נפח תלת-ממדי. הפתרון לבעיה נמצא במחקר קודם של ד"ר אולנובסקי, בו עקב אחרי עטלפי פירות בטבע באמצעות מכשירי GPS ממוזערים וגילה, בין היתר, כי כאשר העטלפים מגיעים לעץ הפרי, הם מקיפים אותו ונעים באופן שממלא את כל החלל שסביב לעץ.
כדי לדמות מצב זה במעבדה – שהיא מעין מערה מלאכותית המצוידת בציוד לניטור מלא של העטלפים – הותקן "עץ" מלאכותי עשוי מוטות מתכת, אליהם מחוברות קעריות עם פירות.
מדידת הפעילות של תאי עצב בהיפוקמפוס של העטלפים הראתה לראשונה כי ייצוג המרחב התלת-ממדי במוח דומה לייצוג דו-ממדי: כל אחד מתאי המקום אחראי על זיהוי אזור מסוים בחלל ה"מערה", ומשגר איתות חשמלי כאשר העטלף נכנס לאזור זה. אוכלוסיית תאי-המקום כולה יוצרת כיסוי מלא של נפח ה"מערה" כולה.
בדיקה מדוקדקת של האזורים עליהם אחראים תאי המקום סיפקה פתרון לשאלה שנויה במחלוקת – האם קיים "שוויון" בתפיסת שלושת הממדים, לדוגמה, האם הרזולוציה של תפיסת הגובה במוח זהה לזו של האורך והרוחב. הממצאים מראים כי האזור עליו אחראי כל אחד מתאי המקום הוא כדורי, כלומר הרזולוציה אכן אחידה בשלושת הממדים. החוקרים מציינים כי יתכן שבבעלי-חיים שאינם מעופפים, אשר נעים למעשה במרחב שטוח, רמת הרזולוציה בצירים השונים אינה אחידה.
ייתכן, לדוגמה, שבעלי-חיים כאלה צריכים להיות רגישים יותר לשינויים בציר האורך והרוחב, ופחות לשינויים בציר הגובה. לגבי בני-אדם זוהי שאלה מעניינת במיוחד, שכן מצד אחד הם התפתחו מקופים שמקפצים במרחב תלת-ממדי, מענף לענף, אך מצד שני, תנועתם האופיינית היא במרחב דו-ממדי.
ממצאי המחקר מספקים תובנות חדשות על התפקודים הבסיסיים של המוח: ניווט, זיכרון מרחבי, ותפיסה מרחבית, וזאת במידה גדולה בזכות פיתוח הטכנולוגיה החדשנית שאיפשרה לראשונה להציץ לתוככי המוח של חיה המעופפת באופן טבעי. ד"ר אולנובסקי מאמין כי בטווח הארוך יפנה חקר המוח למחקר טבעי ככל האפשר, כלומר יחקור את הבסיס המוחי של התנהגות בעלי-חיים במתקני מעבדה בהם מחקים את התנאים בטבע, או אף כאשר הם מצויים בסביבתם הטבעית ממש, בזמן ביצוע מטלות טבעיות.