רשימת תפוצה בדואר האלקטרוני | אפליקציית עושים היסטוריה (אנדרואיד) | פייסבוק | טוויטר

דף הבית של התכנית | iTunes | RSS Link

גלי מוח חלק א' – המצאת ה-EEG

כתב: רן לוי

הסיפור שלנו מתחיל באיש שנפל מסוס. 

הנס ברגר (Berger) החל את הקריירה האקדמית שלו כסטודנט למתמטיקה באוניברסיטת ג'נה שבגרמניה. הוא היה סטודנט מבריק וסקרן – אבל בתוך מספר חודשים גילה שמתמטיקה זה לא בשבילו.  הוא החליט לעזוב את הלימודים ולהתגייס לצבא. השנה הייתה 1892: לא היו עדיין טנקים או מכוניות – רק סוסים וכרכרות, וכך מצא את עצמו ברגר בחיל הפרשים. 

באחד הימים, תוך כדי תרגיל צבאי, נבהל סוסו של ברגר והתרומם על שתי רגליו האחוריות. ברגר, הפרש הטירון, הועף מהאוכף – ונחת על השביל, ממש במסלולה של כרכרה גדולה שהובילה תותחי ארטילריה. ברגר המבוהל כבר ראה את המוות לנגד עיניו, אבל ממש ברגע האחרון הצליח הנהג לעצור את הסוסים הדוהרים ולבלום את הכרכרה. ברגר ניצל בנס, אבל המפגש הקרוב עם המוות הותיר אותו מזועזע. 

ואז, ימים מספר לאחר מכן, קיבל ברגר טלגרמה ממשפחתו. זו לכשעצמה הייתה הפתעה, כי הוא אף פעם לא קיבל טלגרמות מאביו ואמו. אבל תוכן המכתב היה אפילו עוד יותר מפתיע: אחותו, שהייתה קרובה מאוד אליו כשהיו צעירים, הרגישה שמשהו לא בסדר איתו וביקשה מאביהם לשלוח לו טלגרמה כדי לוודא שהוא בריא ושלם. 

המכתב הותיר את ברגר מהורהר ומלא במחשבות. איך ידעה אחותו, ממרחק של מאות קילומטרים, שמשהו לא בסדר איתו? האם חשה, באופן כלשהו, את הפחד והבהלה שהרגיש כשכמעט נדרס על ידי הכרכרה? האם מדובר ב…טלפתיה? 

היום, בעידן המודרני, היינו מבטלים את השאלה של הנס ברגר בהינף יד: אלפי מחקרים הוכיחו ללא צל של ספק שאין דבר כזה טלפתיה. אבל אז, בשלהי המאה ה-19, השאלה הזו הייתה עדיין פתוחה יחסית – ובפרט אחרי שהפיזיקאים חשפו את דבר קיומה של הקרינה האלקטרומגנטית: שדות חשמליים ומגנטיים המתפשטים במרחב ומעבירים מידע ממקום למקום במהירות עצומה, כפי שהוכיחה ההמצאה הטריה של הרדיו. מחקריהם של לואיג'י גלווני ואחרים העלו שגם בגוף החי מתרחשות תופעות חשמליות, כמו למשל האותות החשמליים השולטים על פעולת השרירים. ברגר שאל את עצמו אם יכול להיות שתופעות חשמליות המתרחשות בתוך המוח שלנו מייצרות גם כן שדות אלקטרומגנטיים, מעין 'גלי רדיו' המסוגלים להעביר מידע ממוח אחד למוח אחר באותו האופן שבו שדה מגנטי שפועל על חוט מתכת גורם לזרם חשמלי לנוע בתוך החוט. מי יודע, אולי ההעברה הטלפתית הזו של מידע מוחי מתרחשת רק במקרים קיצוניים מאוד, כמו סכנת המוות שבה היה נתון ברגר כשנפל מהסוס, ורק בין אנשים שמבנה המוח שלהם דומה – כמו בין שני אחים קרובים. 

התקרית הזו שינתה את מסלול חייו של ברגר. כשסיים את שירותו בחיל הפרשים הוא חזר לאקדמיה, אבל הפעם לעולם הפסיכיאטריה וחקר המוח. כצפוי, המחקרים שלו לגבי הטלפתיה לא העלו דבר – אבל כפי שקרה לא פעם בדברי ימי המדע, הם הובילו את ברגר לאחת התגליות החשובות ביותר בתולדות הרפואה, ואולי אפילו יובילו את החוקרים המודרניים לפתרונה של אחת החידות העמוקות, המסקרנות והחשובות ביותר במדע: חידת התודעה האנושית, ואיך המוח שלנו יוצר את מי שאנחנו. 

גילוי גלי המוח

שורשי תגליתו של הנס ברגר טמונים במחקר שערך מדען אחר, האנגלי ד"ר ריצ'רד קטון (Caton). קטון היה איש אשכולות במלוא מובן המילה: הוא היה רופא מומחה ברפואת ילדים, מחנך מוערך שהקים את מוסדות ההשכלה הגבוהה הראשונים בליברפול – ואפילו כיהן כראש העיר של ליברפול בין השנים 1907-1908. שלושים שנה קודם לכן, כשהיה עדיין מדען צעיר, חקר קטון את מוחותיהם של בעלי חיים קטנים כמו חתולים, ארנבים וקופים. כמו גלווני לפניו, גם קטון ביקש לבדוק אם ישנן תופעות חשמליות המתרחשות בתוך המוח. 

ציוד המדידה שבו השתמש קטון במחקריו היה גס מאוד: למעשה, זה היה ציוד ששימש במקור לתקשורת טלגרף ובקושי היה מסוגל להגיע לרזולוציות המדידה הנדרשות כדי לגלות את התופעות החשמליות החלשות המתרחשות בתוך רקמת המוח העדינה. למרות זאת, קטון הצליח לבצע מדידות אמינות יחסית – בעיקר בזכות העובדה שכיוון שעבד עם בעלי חיים, היה מסוגל לפתוח את מכסה הגולגולת שלהם ולהחדיר את אלקטרודות המדידה לתוך המוח עצמו. 

ניסוייו של קטון הראו לו שהמוח עשיר בפעילות חשמלית סוערת ומגוונת. 

"זרמים חלשים בכיוונים משתנים זורמים דרך מכשיר המדידה כשהאלקטרודות מוצבות בשני מקומות שונים על פני רקמת המוח, או כשאלקטרודה אחת מונחת על החומר האפור והאלקטרודה השניה על פני עצם הגולגולת."

"הזרם נמצא בדרך כלל בשינוי מתמיד: התנודות הנמדדות הן לרוב קטנות… בזמנים אחרים נמדדו שינויים גדולים [בתנודות] שמדי פעם באות במקביל לתנועות של השרירים, או לשינויים במצב המנטלי של החיה."

ה"תנודות" שתיאר ריצ'ארד קטון הן מה שאנחנו מכנים היום בשם 'גלי מוח', או Neural Oscillations בעגה המקצועית. הגלים האלה אינם גלים 'פיזיים', במובן שבו אנחנו מכירים גלים בים למשל: שום דבר במוח לא זז ממקום למקום. מדובר בגלים של מתח חשמלי. 

כדי להבין מהם גלי מוח, בואו נדמיין סוללה רגילה. המתח בסוללה הוא לרוב 1.5 וולט – או במילים אחרות, אם אני לוקח מכשיר מדידה עם שתי אלקטרודות ומצמיד אלקטרודה אחת להדק השלילי של הסוללה ואלקטרודה נוספת להדק החיובי, מכשיר המדידה שלי יראה שהפרש המתחים בין שני ההדקים הוא 1.5 וולט. באותו האופן, כשחיבר קטון אלקטרודה אחת לשכבות הפנימיות של המוח, ואלקטרודה שניה לחלק החיצוני של המוח – הוא ראה הפרש מתחים. אמנם הרבה יותר קטן מזה של סוללה ממוצעת – כמה אלפיות הוולט בסך הכל – אבל עדיין, הפרש מתחים ברור כמו זה שקיים, עקרונית, בסוללה. 

אבל בעוד שהמתח בסוללה הוא קבוע – זאת אומרת, אם הסוללה לא מתרוקנת, תמיד נמדוד הפרש מתחים של 1.5 וולט בין ההדקים – הפרש המתחים במוח משתנה כל הזמן, ואף פעם לא נשאר קבוע. רגע אחד נמדוד 10 מיליוולט, ורגע אחר כך – 20 מיליוולט. לפעמים נמדוד אפילו מינוס 10 מיליוולט – דהיינו, המתח בקליפת המוח יהיה נמוך יותר מהמתח בשכבות העמוקות של שלו, כאילו התהפכו ההדקים של הסוללה ועכשיו הפלוס הפך למינוס והמינוס לפלוס. במילים אחרות, בעוד שהמתח החשמלי שמייצרת הסוללה הוא קבוע ובלתי משתנה, המתח החשמלי שנמדוד במוח יהיה סוער ודינמי כמו משבי רוח פתאומיים בעת סופה. 

ריצ'ארד קטון לא היה מסוגל לפענח את המדידות שלו ולחלץ משמעות כלשהי משינויי המתח הכאוטיים שמדד במוח – אבל הוא כן הצליח להבחין בשינויים ברורים בדפוס הפעילות של המוח בזמן שבעל החיים הזיז שריר כלשהו, או כשהפעיל על החיה גירוי חושי כמו למשל אור בוהק, רעש חזק או ריח של אוכל. 

קטון פרסם את תוצאות מחקריו ב-1875, אבל הן לא משכו יותר מדי תשומת לב מצד המדענים באנגליה ובארצות הברית. רק ברוסיה ובמזרח אירופה היו חוקרים שהמשיכו את עבודתו – אבל גם הם לא הציגו פריצות דרך משמעותיות, בעיקר מכיוון שציוד המדידה שעמד לרשותם באותם ימים לא היה רגיש מספיק. בפרט, הפרשי המתחים במוח הם זעירים כל כך עד שאי אפשר היה למדוד אותם מבלי לפתוח את הגולגולת ולהכניס את האלקטרודות ממש לתוך המוח עצמו – עובדה שהגבילה מאוד את אפשרויות המחקר, וכמובן מנעה כל אפשרות של מחקר בבני אדם. 

הנס ברגר ממציא את ה EEG

כשהחל הנס ברגר את מחקריו בשלהי המאה ה-19, הוא בכלל לא חשב בכיוון של מדידות חשמליות: הוא התמקד במדדים אחרים של פעילות מוחית, כמו שינוי בזרימת הדם ורמת החמצן בדם בתגובה לגירויים שונים. היום אנחנו יודעים שמדידות כאלה יכולות, עקרונית, לספק לנו המון מידע על הנעשה במוח – זה העקרון שעליו מבוססים סורקי fMRI מודרניים, למשל – אבל בזמנו של הנס, גם ציוד המדידה עבור המדדים האלה לא היה רגיש מספיק. ברגר ערך המון ניסויים שונים ומשונים, כמו למשל למדוד את שינויי לחץ הדם במוח בתגובה לרעש של ירי מאקדח או הסנפה של קוקאין – אבל כל הניסויים האלה לא הובילו אותו לשום מקום. ברגר החליף את מדידות לחץ הדם במדידות של שינויי טמפרטורה על פני המוח – אבל גם כאן, יוק. 

בלית ברירה, פנה ברגר – שהכיר את תוצאות מחקריו הקודמים של קטון – אל הפעילות החשמלית. היו לו כמה וכמה אתגרים אדירים שניצבו בדרכו. הראשון הייתה העובדה שברגר הרופא היה חסר כל הכשרה בסיסית בחשמל. הוא לא הבין באלקטרודות, זרמים או שדות ואת כל מה שהיה צריך ללמוד לשם הניסויים שלו, למד פחות או יותר בכוחות עצמו. 

האתגר השני היה שבניגוד לקטון, ברגר ביקש לחקור בני אדם ולכן לא יכול היה להחדיר את אלקטרודות המדידה לתוך המוח – אלא רק להצמיד אלקטרודות לחלק החיצוני של הגולגולת. אמנם בעשורים שחלפו מאז ימיו של קטון הטכנולוגיה השתפרה משמעותית – אבל השינויים הזעירים בשדה החשמלי של המוח היו עדיין ממש בקצה גבול היכולת של ציוד המדידה. למעשה, המדידות היו כל כך רגישות להפרעות ולרעשים חיצוניים, עד שברגר היה צריך לכבות את כל המכשירים החשמליים בסביבה, כדי שלא יפריעו לניסויים שלו – כולל מכונות כביסה ומכונות לצילום רטנגן שהיו בבניינים אחרים.

ברגר גייס מתנדבים רבים לניסוייו, ביניהם גם את הבן שלו. הוא ניסה מגוון של אלקטרודות שונות מחומרים שונים כדי לגלות מי מהן ניחנת ברגישות הגבוהה ביותר – ולבסוף, ב-1924, הצליח לבודד מתוך הרעש החשמלי הכיאוטי של המוח דפוס ברור ורפטטיבי: גלים עולים ויורדים בתדירות של שמונה עד שניים עשר הרץ – דהיינו, שמונה עד שניים עשר מחזורים בכל שניה – שברגר העניק להם את השם 'גלי אלפא'. 

בהמשך גילה גם גלים בתדר גבוה יותר, שניים עשר עד שלושים הרץ – להם נתן את השם 'גלי בטא'. 

על אף התגלית המרתקת, ברגר לא מיהר לפרסם את ממצאיו. הוא היה מודאג שמא מדובר בסך הכל במדידה שגויה: הוא לא סמך על ציוד המדידה שלו, ולא סמך על הכישורים הטכניים שלו עצמו. במשך חמש שנים תמימות המשיך ברגר לערוך ניסויים שונים, לשפר את ציוד המדידה ולצבור עוד ועוד מדידות – עד שב-1929 חש מספיק בטוח בעצמו כדי לפרסם את תוצאות הניסויים, בסדרה של עשרים ושלושה מאמרים מפורטים. הוא כינה את הטכניקה שהמציא כדי למדוד את פעילות המוח על פני הגולגולת בשם 'אלקטרו-אנצפלו-גרם' – EEG בקיצור – מילה שמשמעותה המילולית היא 'רישום הפעילות החשמלית במוח'. 

אבל למרות הזהירות המופלגת של ברגר – אף אחד לא האמין לו. חלק מעמיתיו באוניברסיטה התעלמו מהתגלית לחלוטין, וחלק אפילו לגלגו עליו בפומבי. מדוע? בגלל צירוף של מספר סיבות. ראשית, אף אחד כמעט לא האמין שאפשר לחלץ מתוך הרעש החשמלי הכאוטי והפרוע של המוח מידע קוהרנטי שיעניק לנו תובנות בעלות משמעות. 

הסיבה השניה הייתה הנס ברגר עצמו. מדען אמריקני שביקר במעבדתו של ברגר מספר שנים לאחר מכן תיאר אותו במילים הבאות – 

"[ברגר] לא נחשב בעיני עמיתיו מקרב חוקרי המוח הגרמניים כמדען מהשורה הראשונה – כיוון שהיה לו מוניטין של תמהוני, או שרלטן. נראה לי שהוא טיפוס צנוע ומכובד, ניחן בחוש הומור מפותח […] – אבל הייתה לו חולשה קטלנית אחת: הוא היה בור גמור לגבי הבסיס הטכני והפיזיקלי של עבודתו. הוא לא ידע כלום על מכניקה או חשמל."

זאת ועוד, הנס ברגר היה טיפוס מסוגר שנטה לעבוד לבדו, ולא שיתף פעולה עם חוקרים אחרים. כל אלה הביאו לכך שבמשך שנים מספר לאחר שפרסם את מאמריו – אף אחד לא לקח אותם ברצינות. חמש שנים חלפו, ורק ב-1934 החליט חוקר בריטי בשם אדגר אדריאן (Adrian) לנסות ולשחזר את ניסוייו. אדריאן, בניגוד לברגר, היה מדען בעל שם: שנתיים קודם לכן זכה בפרס נובל על מחקריו לגבי מערכת העצבים, ובהמשך חייו כיהן כראש החברה המלכותית הבריטית למדע. רק כשאיששו ניסוייו של אדריאן את תוצאותיו של הנס ברגר הסכימו מדענים נוספים לבחון את ה EEG ברצינות – עוד באותה השנה הדגימו חוקרים כיצד ניתן לאבחן אפילפסיה – 'מחלת הנפילה' – באמצעות השוואת גלי המוח של חולי אפליפסיה לגלי מוח של אנשים בריאים. הממסד המדעי קיבל את המצאתו של הנס ברגר בזרועות פתוחות, ומעבדות מחקר רבות אימצו את הטכנולוגיה החדשה. 

הנס ברגר זכה, סוף סוף, להכרה מצד הממסד המדעי, וגלי האלפא שגילה מכונים גם 'גלי ברגר', על שמו. אבל במישור האישי, סיפורו של ברגר הסתיים דווקא באורח טרגי: הוא התאבד בתליה ב-1941. קשה לדעת מדוע החליט ברגר לשים קץ לחייו שנים ספורות בלבד לאחר שחגג את ההצלחה המקצועית הגדולה ביותר שמדען יכול לייחל לה. יש האומרים שסבל מדיכאון עקב מחלת עור קשה שלקה בה, או שאולי הסתכסך עם המפלגה הנאצית ששלטה בגרמניה באותה התקופה ואיימה לחסל את הקריירה שלו – אבל אין לנו עדויות חד משמעיות לכאן או לכאן. 

איך לפענח את קריאות ה EEG?

אם כן, בתחילת שנות השלושים של המאה העשרים הייתה בידי החוקרים טכנולוגיה שבפעם הראשונה איפשרה להם לבחון את התהליכים החשמליים המתרחשים במוח מבלי לפתוח את מכסה הגולגולת. בשנים שאחר כך השתכללו מכשירי ה – EEG, ונעשו קלים, רגישים ואמינים יותר. אבל בעיה אחת נותרה עדיין בעינה, אותה הבעיה שהטרידה אפילו את ריצ'רד קטון שישים שנים קודם לכן: פענוח קריאות ה – EEG. הפלט של מכשיר ה EEG דומה מאוד לפלט של קריאות אק"ג של הלב: דף נייר ועליו מודפסות מדידות המתח החשמלי שקולטות האלקטרודות, לאורך ציר הזמן – זאת אומרת, כל נקודה בגרף מציינת מדידת מתח ברגע מסוים. אבל בעוד שגרף של אק"ג נראה 'ברור' יחסית – פולס ואז שקט, ואז שוב פולס ושוב שקט וכן הלאה – הגרף של ה EEG הוא ברדק אחד גדול. האות הנקלט עולה ויורד, פעם נמוך ופעם גבוה, פעם לאט ופעם מהר – ורק אנשי מקצוע מיומנים יכולים לאתר בתוך הכאוס הזה את הסימנים הקלושים של גליות מסודרת ומאורגנת. ב-1938 הצליחו חוקרים אחרים לזהות גל מוח נוסף, גמא, בעל תדירות של 30 עד 150 הרץ. הגילוי הזה רמז על כך שבמדידות ה EEG הכאוטיות מסתתרים, כנראה, עוד גלים מסוגים שונים. איך ניתן לפענח את המדידות האלה ולחלץ את הדפוסים החשמליים שמסתתרים בהן? 

כדי להתחיל לענות על השאלה הזו, עלינו ראשית להבין איך בדיוק נוצרים הגלים בתוך המוח – ולשם כך, אנחנו צריכים להכיר את אבן הבניין המרכזית שלו, הנוירון. 

הנוירון – או 'תא עָצָב' בעברית – הוא ברמת העיקרון מכונה שיש לה המון המון כניסות המכונות 'דנדריטים', ויציאה אחת בודדת המכונה 'אקסון'. אם אתם רוצים לדמיין נוירון, הוא קצת מזכיר מטאטא: האקסון הוא גליל צר וארוך, כמו מקל המטאטא, ומהצד השני ישנם המוני דנטריטים קצרים וצפופים שאפשר לדמות אותם לשערות המטאטא. כמה המון? עד מאה אלף דנטריטים, או מאה אלף כניסות לנוירון אחד. אם לוקחים בחשבון שמוח אנושי ממוצע מכיל כשמונים ושישה מיליארד נוירונים, אני חושב שאתם מתחילים לקבל מושג לגבי על רמת המורכבות המדהימה של המכונה שפועלת לנו בין האוזניים.

הבה ניקח, לצורך ההסבר, שני נוירונים בלבד – ונחבר אותם זה לזה: דהיינו, ניקח את היציאה של נוירון אחד – האקסון – ונחבר אותה לאחת הכניסות של הנוירון השני, לדנטריט. נקודת החיבור בין האקסון לדנדריט מכונה 'סינפסה'. כעת שני הנוירונים יכולים להתחיל ל'שוחח' זה עם זה, והם מנהלים את השיחה הזו באמצעות אותות חשמליים: הנוירון הראשון שולח פולס חשמלי מהיר שעובר דרך האקסון, מדלג דרך הסינפסה ועובר אל הדנדריט. הפולס החשמלי הזה יוצר שינוי, הפרעה בשדה החשמלי שעוטף את הנוירונים – וההפרעה הזו מתפשטת במרחב עד שהיא מגיעה אל האלקטרודה שצמודה אל הגולגולת, ונקלטת בה. שימו לב שבשלב הזה, אין לנו עדיין גל שעולה ויורד בצורה הדרגתית ומתונה כמו אדווה על פני אגם – אלא פולס בודד ופתאומי, שיותר דומה באופיו ליריית אקדח. 

ועוד דבר: האות החשמלי שעובר באקסון או בדנטריט יחיד הוא עדיין חלש מדי מכדי שניתן יהיה לקלוט אותו באלקטרודה שמרוחקת כמה מ"מ או ס"מ מהנוירון – במיוחד בהתחשב בעובדה שעצמות הגולגולת מנחיתות את האות החשמלי ומחלישות אותו עוד יותר. כדי שתוכל האלקטרודה לקלוט אותו, על האות להיות חזק וברור יותר – משמע, צירוף של פולסים מכמה וכמה נוירונים שונים. והפולסים האלה חייבים להיות מסונכרנים, דהיינו – שכל הנוירונים בקבוצה ירו את הפולסים שלהם יחדיו, באופן מתוזמן. מדוע? זה קצת כמו לעמוד מחוץ לאיצטדיון כדורגל: אם כל צופה באיצטדיון מדבר על משהו אחר ובזמן אחר, מישהו שעומד בחוץ ישמע רק רחש כללי שכזה, רעש חסר משמעות. אבל אם יציע שלם צועק בבת אחת 'גול!' – גם מישהו שנמצא קילומטר מהאיצטדיון ירגיש כאילו המשחק מתרחש אצלו בסלון, ואני אומר את זה בתור מישהו שגר כמה שנים טובות ליד אצטדיון קרית אליעזר בחיפה. העובדה שאנחנו מסוגלים למדוד את הפעילות החשמלית של המוח בעזרת EEG פרושה שישנן קבוצות של אלפי עד מיליוני נוירונים שמסיבה כלשהי מסונכרנים אחד עם השני ופועלים יחד, כמעט כגוף אחד. 

וכיצד הופך הפולס המסונכרן הזה, שדימיתי אותו קודם ליריית אקדח חדה ופתאומית – לגל שעולה ויורד באופן מתון? משפט המפתח כאן הוא 'כמעט כגוף אחד'. אם כל הנוירונים בקבוצה היו יורים את הפולס החשמלי בדיוק באותו הזמן – היינו מקבלים פולס חזק, אבל עדיין פולס חד ומהיר. בפועל, הסנכרון בין הנוירונים הוא הרבה פחות נוקשה ומוחלט: יש חלון זמן מסוים שבו לנוירון מותר לירות את הפולס שלו, אבל חלק מהנוירונים ירו בתחילת חלון הזמן, חלק באמצע וחלק בסוף. זה קצת מזכיר מטווח צבאי: מנהל המטווח צועק 'אש' – ומהרגע הזה כל חייל במטווח יורה בזמנו החופשי. באופן טבעי, נקבל מעט פולסים בתחילת חלון הזמן ובסופו, ורוב הנוירונים יירו את הפולסים שלהם איפשהו במרכז חלון הזמן. מנקודת מבטה של האלקטרודה שמודדת את כל זה, הפולסים יוצרים מעין גל – מעט פולסים בהתחלה ואז יותר ויותר פולסים באמצע, ואז דעיכה, פחות ופחות נוירונים שיורים פולסים, עד שכל הניורונים משתתקים לגמרי, ואז שוב מתחיל המחזור מחדש. כך נוצר גל מוח, כשקבוצה של המוני נוירונים יורים את האותות החשמליים שלהם באופן מסונכרן או מסונכרן-למחצה. 

אבל זו לא התמונה המלאה, שהרי כפי שסיפרתי לכם מקודם – האות שנקלט בפועל באלקטרודות הוא לא גל יפה ומסודר שעולה ויורד בצורה ברורה, כי אם אות מבולגן וכאוטי כמו גלי ים בזמן סופה חזקה. מה פשר הכיאוטית הזו? 

ובכן, היזכרו בתגליתו של הנס ברגר. השדה החשמלי שמדד ברגר ממוחם של הנבדקים שלו היה גם כן כיאוטי ומבולגן, אבל הוא בכל זאת הצליח לזהות בתוך הכאוס הזה שני גלים ספציפיים – גלי אלפא וגלי בטא – שכל אחד מהם בעל תדירות שונה. המשמעות היא שבמוח יש יותר מקבוצה אחת של נוירונים מסונכרנים: למעשה, ישנן אינספור קבוצות נוירונים כאלה – חלקן נמצאות במיקום ספציפי, דהיינו כל הנוירונים בקבוצה קרובים זה לזה – ובאחרות, הנוירונים מפוזרים באזורים שונים בכל רחבי המוח. חלק מהקבוצות מכילות מספר קטן יחסית של נוירונים, ואחרות מכילות המון נוירונים. כל קבוצה כזו יכולה להסתנכרן סביב תדר מסוים, שונה מהקבוצות האחרות שסביבה – ואפילו אם יש שתי קבוצות נוירונים שפועלות באותו התדר, הן יכולות להיות שונות זו מזו בפאזה של מחזור הגל: דהיינו, כשקבוצה אחת נמצאת בשיא הפעילות החשמלית, הקבוצה השניה תהיה דווקא בתקופה השקטה של המחזור שלה, ולהפך. כל הגלים השונים והמשונים האלה פועמים בתוך המוח בו זמנית ונקלטים יחד באלקטרודות. והתוצאה? 

דמיינו לעצמכם שאתם במשחק כדורגל בין בית"ר ירושלים והפועל תל אביב, ומציבים מיקרופון במרכז האיצטדיון. בצד אחד של המגרש נמצאים האוהדים של הפועל ששרים יחד ובסנכרון מלא שיר נאצה נגד בית"ר. בצד השני נמצאים האוהדים של בית"ר, שמקללים ביחד את הפועל.  המיקרופון הבודד שלנו קולט את שני השירים בו זמנית, ולמי שמאזין להקלטה קשה מאוד להבין מי בדיוק בן-*זונה ומי בדיוק נמצא על ה*ין של מי. באותו האופן, האלקטרודה שמודדת את שינויי השדה החשמלי במוח קולטת את כל הגלים השונים והמשונים בו זמנית – והתוצאה היא הקלטה כיאוטית ומבולבלת, שקשה מאוד לפענח אותה. 

התמרת פורייה

אז מה עושים? למרבה המזל, מדידות EEG אינן הסיגנלים הכאוטים היחידים שמהנדסים צריכים להתמודד עימם. יש מגוון רחב מאוד של תופעות טבעיות ומלאכותיות שמפיקות גם כן סיגנלים מבורדקים, והצורך בכלים להתמודד עם אותות שכאלה עלה הרבה מאוד שנים לפני שמישהו אפילו דמיין לעצמו את האפשרות למדוד תופעות חשמליות במוח. ז'אן בפטיסט ג'וזף פורייה (Fourier) הצרפתי נתקל בצורך הזה עוד בראשית המאה ה-19, במסגרת עבודתו על על חקר זרימת חום בגופים שונים. כדי להתמודד עם האתגר הזה הוא פיתח כלי מתמטי רב עוצמה הקרוי על שמו: 'התמרת פורייה'. 

הרעיון שבבסיס התמרת פורייה הוא העברה של האות שלנו – 'או 'התמרה' בעברית יפה, מלשון 'תמורה', שינוי – ממרחב הזמן למרחב התדר. נכון, אני יודע – זה לא אומר לכם כלום. אם זה מעודד אתכם, אני ישבתי סמסטר שלם בקורס 'מבוא להתמרות פורייה', מבלי להבין מילה ממה שאמר המרצה. אז הנה האנלוגיה שהייתה חסרה לי לפני עשרים שנה כדי להבין במה מדובר. 

נאמר שאני אופה עוגה. אני  לוקח קערה ושופך לתוכה חלב, סוכר, ביצים, קמח ועוד כל מיני דברים שתכלס אין לי מושג מה הם כי בחיים שלי לא אפיתי עוגה. אני מערבב את כל המצרכים ויוצר מהם בצק – אבל אז לפתע אני שואל עצמי: כמה ביצים שמתי בפנים? שלוש או ארבע? אני לא מבין בעוגות, אבל נראה לי שזה חשוב. היה נחמד מאוד אם הייתי יכול להתבונן על הבצק ולראות כמה ביצים וכמה קמח הוא מכיל – אבל אי אפשר: כל המצרכים כבר מעורבבים, ואי אפשר להפריד בין הביצים, הקמח, הסוכר וכל השאר. זה גם המצב של מדידות ה EEG שלנו, שהן ערבוב של כל גלי המוח השונים שקולטות האלקטרודות. 

למרבה המזל, מכיוון שאני מודע לחוסר היכולת הגסטרונית שלי, הכינותי מראש את מניפולטור האנרגיה הבין-יקומית שהזמנתי מעלי אקספרס. זאת אומרת, הזמנתי שניים אבל אחד הלך לאיבוד בדואר. אני לוקח את קערת הבצק, ובעזרת המניפולטור אני פותח שער בין יקומי ועובר אל יקום אחר שנכנה אותו 'יקום העוגה'. ביקום העוגה הפיזיקה עובדת קצת אחרת מאצלנו: שם הבצק נפרד בחזרה למרכיבים שלו בקלי קלות! זה גם מצוין לדיאטה, אני ממש ממליץ. אני מביט על המרכיבים ורואה שבאמת שמתי פחות מדי ביצים, אז אני חוזר בחזרה ליקום שלנו, שבו הבצק חוזר להיות מעורבב כמו מקודם – ומוסיף את הביצה החסרה. 

עכשיו, ברור לגמרי שזו דוגמה בדיונית והזויה: הרי במציאות, אין סיכוי שאני אנסה לאפות עוגה. אה, וגם אין דבר כזה מניפולטור בין יקומי שפותח שער ליקום העוגה. אבל במתמטיקה יש דבר כזה: הוא נקרא 'התמרת פורייה' והוא לא פחות קסום וגאוני ממניפולטור בין יקומי שכזה. 

מדידות ה EEG הן כאמור 'במרחב הזמן' – שזו בסך הכל דרך מסובכת ומרשימה לומר שבגרף של ה EEG הציר האופקי – ציר ה X, כפי שאנחנו מכנים אותו בדרך כלל – הוא ציר הזמן, והגרף מראה מה גובה המתח החשמלי שמדדנו בכל נקודה על הציר. זאת אומרת, בשניה הראשונה מדדנו עשר מיליוולט, בשניה השניה מדדנו עשרים מיליוולט וכן הלאה. 

התמרת פורייה מאפשרת לנו, באמצעות חישוב מתמטי מסוים שלא נכנס לפרטיו כרגע, להפוך את הגרף המקורי – זה שהציר האופקי שלו הוא ציר הזמן – לגרף חדש שהציר האופקי שלו הוא ציר תדר. זאת אומרת, במקום שניה ראשונה, שניה שנייה וכן הלאה, הציר מציין תדרים: אחד הרץ, שני הרץ, שלושה הרץ וכן הלאה. ההתמרה לוקחת את האות המקורי והמבולגן ומסדרת אותו מחדש על ציר התדר – כך שעכשיו אנחנו רואים את אותו האות, אבל מופרד למרכיביו השונים. דהיינו, אם האות המקורי בציר הזמן היה מורכב מגל אלפא, גל בטא וגל גמא שכולם מעורבבים זה עם זה כמו מרכיבים בבצק של עוגה – אחרי התמרת הפורייה, האות הזה מופרד לתדרים השונים ואנחנו מקבלים גרף חדש שבו רואים שלושה קווים נפרדים: קו אחד בתדר של שמונה הרץ – גל אלפא –  קו אחד בתדר של שניים עשר הרץ – גל בטא – ועוד קו בתדר של שלושים הרץ – גל גמא. עכשיו קל להבין מה באמת מתרחש בתוך האות הכיאוטי המקורי, באותו האופן שבו היה לי קל להבין אילו מרכיבים הכנסתי לתוך הבצק. 

אני מקווה שעכשיו אתם מבינים את עוצמתה של התמרת פורייה: טכניקה שמאפשרת לנו לקחת בעיה קשה מאוד לפיתרון ביקום אחד, להעביר אותה ל'יקום אחר' – מרחב התדר במקרה שלנו – שם אפשר לפתור אותה בקלי קלות. אני זוכר את התגובה שלי כשהבנתי בפעם הראשונה מה היא באמת התמרת פורייה ואיזו עוצמה יש לה: ישבתי מול השולחן כמה דקות טובות, בהיתי באוויר ומלמלתי לעצמי 'וואו…זה כל כך עמוק…' מזל שעדיין לא המציאו את טלגראס באותה התקופה, אחרת היו חושדים בי במשהו אחר לגמרי. 

בימינו רותמים המהנדסים את התמרת פורייה למגוון של צרכים ומשימות, כמעט בכל תחום בעולם המדע והטכנולוגיה. למשל, האקולייזר שאפשר למצוא בנגני אודיו שונים: זו הפונקציה בנגנים שמאפשרת לכם להגביר את עוצמת הבס של המוזיקה, למשל, או להנמיך את הבס ולהגביר את התדרים הגבוהים יותר. אי אפשר לעשות את זה על אות המקורי של המוסיקה, זה שבמרחב הזמן, מאותה הסיבה שאי אפשר לשלוף רק את הביצים מתוך הבצק. לכן הנגן מעביר את האות המקורי למרחב התדר באמצעות התמרת פורייה, מסנן את תדרי הבס או מגביר את התדרים הגבוהים יותר – ומחזיר את האות בחזרה ליקום שלנו, מרחב הזמן. תודו שלא היה לכם מושג שבתוך הרדיו הפשוט של הרכב שלכם מסתתר מניפולטור בין יקומי שכזה….

בכל אופן, ברגע שרתמו החוקרים את התמרת פורייה העוצמתית לאנליזה של מדידות ה EEG, עולם חדש נגלה בפניהם. ההתמרה אפשרה להם לזהות עוד ועוד גלי מוח, חלשים ושקטים יותר, שהסתתרו בתוך הכאוס החשמלי שיוצר המוח. פרט לאלפא, בתא וגמא, נתגלו גם גלי תטא בתדר של ארבעה עד שמונה הרץ, גלי דלתא באחד עד ארבעה הרץ, גלי מיו (Mu) בתדרים של שבעה וחצי הרץ עד שניים עשר וחצי הרץ – וממש לאחרונה נחשפו גם גלים בתדרים גבוהים הרבה יותר, אלפיים הרץ ומעלה, עושר אדיר של גלים בעוצמות שונות ובתדרים שונים. 

הטכנולוגיה החדשה גם איפשרה ל EEG להיות הרבה יותר שימושי במרפאות ובתי חולים, וכיום ה EEG הוא כלי מרכזי בארגז הכלים של הרפואה המודרנית: ניתן לאבחן בעזרתו מקרים של שבץ מוחי, הפרעות שינה, וגידולים סרטניים במוח, להעריך את חומרתן של פציעות ראש – ואפילו לעקוב אחר תפקוד מוחו של מנותח בזמן אמת, תוך כדי ניתוח מוח פולשני. 

כעת, אחרי שהבנו איך עובד EEG ואיך הוא מודד ומנתח את גלי המוח שלנו, השאלה המתבקשת היא – מה תפקידם של הגלים האלה? או אם לדייק, יש כאן שאלה אפילו עוד יותר עמוקה: האם הסנכרון הנוירוני שיוצר את גלי המוח הוא בסך הכל תוצר לוואי של הפעילות המוחית – זאת אומרת, הוא כמו הרעש שפולט מנוע של מכונית שאפשר בהחלט להסתדר גם בלעדיו – או שהסנכרון הזה הוא בורג חיוני במערכת ההפעלה של המוח שלנו, באותו האופן שבו הצילינדרים בתוך מנוע המכונית חייבים להיות מסונכרנים זה עם זה אחרת המנוע לא יעבוד כמו שצריך. 

זו תהיה השאלה שבה יעסוק הפרק הבא, חלקו השני של הפרק הזה. נדבר על הקשר בין גלים מסוגים שונים ומצבים מנטליים מסויימים כגון שינה, מדיטציה או ריכוז מקסימלי בעת ביצוע משימה מורכבת כלשהי, ונגלה איך עוזרים הגלים למוח שלנו ליצור תמונה קוהרנטית של המציאות סביבנו – למשל, איך המוח מסנכרן בין המראה הויזואלי של שתי כפות ידיים שנוגעות זו בזו והקלט הקולי של רעש פתאומי, ויודע לשייך את שני הקלטים השונים האלה לארוע אחד ויחיד, מחיאת כף. כל זאת ועוד, בפרק הבא של עושים היסטוריה. 

קישור לחלק ב'