מחקרים

פגיעות מוחיות כתוצאה מפציעות ראש, משבץ וממחלות, גורמות לנכויות קשות - גופניות, פסיכולוגיות וקוגניטיביות. עד היום הטיפול בפגיעות הללו היה שיקומי בעיקרו, ותוצאותיו היו מוגבלות בהתאם. מחקר חדש מבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל-אביב והמרכז הרפואי אסף הרופא מציע תקווה חדשה לחולים, באמצעות  חשיפה לסביבה עשירה בחמצן, המשפרת משמעותית את מצבם של המטופלים, אפילו שנים אחרי הפגיעה. תוצאות המחקר החדש התפרסמו בכתב העת  PLOS ONE.

חמצן למוח

"הרעיון שניתן לתקן נזק מוחי באמצעות טיפול בתא לחץ נולד כבר בשנות ה-90", מספר פרופ' אשל בן-יעקב מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה ומבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל-אביב, "אך הגישה לא נבחנה אז לעומקה, מכיוון שהיא סתרה את ההשקפה הרווחת לפיה רשתות עצביות במוח עשויות להתחדש ולהשתנות רק בגיל הילדות, או במסגרת של חלון זמן מוגבל לאחר פגיעה".

במחקר החדש השתתפו כ-60 מטופלים עם נזק מוחי בדרגות שונות, שמצבם כבר חדל להשתפר ונחשב לכרוני. המשתתפים נחשפו לתנאים המיוחדים השוררים בתא לחץ של אוויר מועשר בחמצן, והחוקרים עקבו אחר תפקודם המוחי בעזרת אמצעי הדמיה מתקדמים. התוצאות היו מבטיחות: מסתבר כי חמצן בריכוז גבוה יכול לעורר תאי עצב רדומים, לאושש רשתות עצביות, ולשפר את התפקוד המוחי של החולים – גם שנים רבות לאחר הפגיעה.

הטיפול החדשני השיב לנפגעי המוח שהשתתפו במחקר תפקודים רבים לאחר שנים של מוגבלות. הפגיעה הנפוצה לאחר חבלה מוחית (Traumatic Brain Injury) היא בעיקרה קוגנטיבית, ולרבים מהמשתתפים במחקר חזרה היכולת לזכור, להתרכז, להבין ולעבד מידע, לקרוא ולהתמצא במרחב. "במחקר התמקדנו באנשים שנפגעו שנה עד שש שנים, אך כבר זכינו לראות שיפור משמעותי גם בפגיעות מלפני 20 שנה", אומר ד"ר אפרתי, חוקר מהפקולטה לרפואה באוניברסיטת תל-אביב ומנהל המכון לרפואה היפרברית במרכז הרפואי אסף הרופא. "התוצאות בשטח ברורות מאוד, והן מדהימות גם אותנו, כמטפלים וכחוקרים".

תיקון וריפוי עם חמצן מרוכז

המפתח להצלחתו של הטיפול בתא הלחץ טמון, לדעת החוקרים, בריכוז החמצן הגבוה שמגיע אל רקמות המוח. "במוח הפגוע נותרים תאי עצב רבים שעודם חיים, ועם זאת אינם מקבלים די אנרגיה כדי להתעורר ולשוב לתפקוד", מסביר ד"ר אפרתי. "בשל חשיבותו, המוח מקבל שיעור גבוה יחסית של חמצן, כ-20% מכלל החמצן שנכנס לגופנו, אך מסתבר שהאנרגיה הזאת מתועלת בעיקר לאזורים הפעילים, ולא למקומות פגועים ורדומים. כך שאספקת החמצן למוח בתנאים רגילים אינה מסוגלת להזין תהליכי תיקון וריפוי – כגון בניית כלי דם חדשים, חידוש קשרים בין תאי העצב, הערת תאי עצב רדומים – תהליכים שדורשים כמות גדולה במיוחד של אנרגיה. בתא הלחץ, לעומת זאת, יש ריכוז גבוה מאוד של חמצן, עד פי 10 מהריכוז באוויר הרגיל שאנו נושמים. לכן המוח יכול להקצות את האנרגיה הדרושה לתיקון נזקים באזורים הפגועים, ומכאן השיפור המשמעותי בתפקודם של החולים".

ההצלחה המרשימה של המחקר מעוררת בחוקרים תקוות רבות. "אנחנו מאמינים שלטיפול בתא לחץ יש פוטנציאל גדול ככלי טיפולי למגוון גדול של מחלות ופגיעות שקשורות למוח", מסכם פרופ' בן-יעקב. "אנחנו מבינים היום שהפרעות מוחיות רבות קשורות לסוגיות של ניהול האנרגיה במוח. בעיה כזאת יכולה להיווצר, לדוגמא, בגיל המבוגר, עם הירידה ביעילות של זרימת הדם אל המוח ובתוכו.  לכן יתכן בהחלט שהטיפול החדש יוכל לסייע, בין היתר, בשלבים מוקדמים של דמנציה או אלצהיימר. ומי יודע, אולי בעתיד אף נוכל להעניק למוח טיפולי 'אנטי-אייג'ינג', שיתחזקו אותו וישמרו את תפקודו עד יומנו האחרון".

מדינת טקסס בארה"ב כבר שוקלת לממן את הטיפול החדשני עבור אזרחיה שנפגעו כתוצאה מפציעות ראש, וכן עבור חייליה השבים מעיראק ומאפגניסטאן עם הפרעות דחק פוסט טראומטיות.

היונוספרה, מהשכבות העליונות באטמוספרה של כדור הארץ, קיבלה את שמה מתהליכי היינון המתרחשים בה בהשפעת קרינת השמש. כתוצאה מהיינון יש בשכבה זו כמות גדולה של מטענים חשמליים, שמשמשת את האדם להעברת תקשורת - לדוגמה באמצעות גלי רדיו. לאחרונה גילה פרופ' קולין פרייס מהחוג לגיאופיזיקה ומדעים אטמוספריים ופלנטריים באוניברסיטת תל-אביב, בשיתוף עם הדוקטורנט שלו ישראל סילבר, כי גלי רדיו המוחזרים מהיונוספרה לאדמה יכולים גם לספק לנו מידע חשוב על שינויי האקלים המתרחשים באטמוספרה.

המחקר מראה שעוצמת אותות הרדיו על פני הקרקע משקפת באופן אמין את השינויים בטמפרטורה של האטמוספרה העליונה. פרופ' פרייס וקבוצת המחקר שלו הציבו על הקרקע אנטנות רדיו רגילות, ומדדו באמצעותן גלי רדיו המשודרים על ידי משדרי ניווט בכל העולם. אחר כך הם בחנו את עוצמתם של אותות הרדיו הללו מול נתונים על שינויי טמפרטורה באטמוספירה, וגילו תופעה מעניינת: מתברר ששינויי טמפרטורה בשכבות הגבוהות של האטמוספרה, הנגרמים על ידי עודף גזי חממה, מביאים לספיגה גבוהה יותר של גלי הרדיו, ובכך מחלישים את האותות המגיעים לקרקע. המסקנה: אותות רדיו חלשים יותר מעידים על שינויים גוברים באקלים – גם בחלקה העליון של האטמוספרה.

לדברי פרופ' פרייס, מדובר בשיטת מדידה קלה ויעילה, עם עלויות נמוכות, שיכולה לתרום רבות למעקב המתמשך אחר שינויי אקלים בעולם. המחקר התפרסם לאחרונה בכתב העת המדעי Journal of Geophysical Research.

כדור הארץ מתחמם, האטמוספרה העליונה מתקררת

גזי החממה המצטברים באטמוספרה יוצרים מעין 'שמיכה' שמונעת את בריחת החום לחלל, כולאת אותו בסמוך לקרקע, וגורמת לתופעה המוכרת כהתחממות כדור הארץ. אך אותם גזי חממה, כשהם מגיעים לשכבות העליונות של האטמוספרה, יוצרים דווקא אפקט של קירור.

"כאשר שכבת היונוספרה מתקררת, היא מתכווצת ויורדת אל אזורים בעלי צפיפות אוויר גבוהה יותר באטמוספרה, וכך נוצרת באזורים אלה ספיגה גבוהה יותר של גלי רדיו," מסביר פרופ' פרייס. "במחקר שלנו אספנו נתוני לוויינים על הטמפרטורה בשכבות הגבוהות, ובדקנו אותם מול מדידות של עוצמת גלי רדיו שערכנו על פני הקרקע. מצאנו מתאם ברור ועקבי לאורך זמן: ככל שהאטמוספירה העליונה התקררה, גלי הרדיו נחלשו."

שיטת המדידה החדשה תאפשר לחוקרים לגשר על פער מוכר במדידת שינויי הטמפרטורה בשכבות הגבוהות של האטמוספרה. עד היום הם ידעו להסביר רק 70%-60% מהתנודות  – אותם שינויים הנגרמים ישירות על ידי קרינת השמש. כעת, בעזרת הפיתוח החדש, הם יוכלו לאתר ולהבין 95% מהשינויים הללו.

ניטור שינויי האקלים

שיטת המדידה החדשה מהווה תוספת חשובה לטכניקות הקיימות לניטור שינויי אקלים בעולם. יתרה מכך: היא מאפשרת מעקב רציף, באמצעות ציוד נגיש שאינו יקר. ומכיוון ששינויי הטמפרטורה באטמוספרה העליונה גדולים פי 10 מאלה שעל פני הקרקע, קל יותר לעקוב אחריהם.

"עד היום התקשינו מאוד לחקור את היונוספרה – שהיא גבוהה מדי עבור מטוסים ובלוני מזג אוויר, אך נמוכה מדי בשביל לוויינים," מסכם פרופ' פרייס. "כעת, בעזרת השיטה שפיתחנו, נוכל להפיק מידע חדש ורב, ולחקור שינויים בטווח הקצר והארוך, כמו למשל השפעתן של סופות שמש וסערות ברקים על השכבות העליונות של האטמוספרה."

חוקרים בכל העולם מנסים היום לפתח מענה מקיף לצורך במצברים זעירים: מיקרו-מצברים שמפיקים זרם גבוה וגם פועלים לאורך זמן. “המצברים המקובלים בנויים ממספר שכבות: קטודה, אנודה, אלקטרוליט ואוסף זרם, שיוצרים ביניהם תגובה אלקטרוכימית המפיקה חשמל", מסבירה ד"ר' גולודניצקי. "כשמקטינים את כמות החומר כדי לבנות סוללה זעירה, פוחתת גם כמות האנרגיה, והסוללה אינה יעילה. בנוסף, האלקטרוליט הוא נוזל רעיל שעלול לדלוף, ולכן סוללות מסוג זה אינן מתאימות לשימושים רפואיים, בתוך גוף האדם. כמו כן, מצברים קטנים עם שכבות דקות של אלקטרוליט מוצק, שפותחו לפני כ-15 שנה, זקוקים לטעינות תכופות מדי. פרופ' מנחם נתן מהפקולטה להנדסה הציע פתרון מבריק: שבב סיליקון מחורר, המכיל מספר גדול של מצברים בממדי ננו. קבוצת המחקר שלנו מפתחת מצברים זעירים המתבססים על הרעיון של פרופ' נתן".

לספק את המתח הנכון

המצברים הזעירים בנויים לתוך שבב סיליקון תלת-ממדי, ששטחו 1 סמ"ר ועוביו 500 מיקרון, ובו 20,000 עד 30,000 חורים דקים, בקוטר מיקרון, ובמרחק 10 מיקרון זה מזה. בעזרת שיטות חכמות של ‘כימיה רטובה' - תהליכי ציפוי שונים בתוך תמיסות - מצליחים החוקרים למקם בכל אחד מהחורים שכבות דקות המרכיבות ננו-מצבר עצמאי. בסך הכל מציע השבב פי 10 עד 40 יותר חומר פעיל לייצור חשמל, והספק גבוה פי 10 ליחידת שטח, בהשוואה למיקרו-מצברים אחרים. "אנו מפתחים מגוון מצברים העשויים מננו-חומרים שונים, כדי לספק מתח נכון לצרכים ולשימושים שונים", אומרת ד"ר' גולודניצקי. “לדוגמה, תאים סולאריים זקוקים למתח נמוך של 5 וולט, ומצברים המשמשים למטרות רפואיות פועלים בדרך כלל על מתח של 3 וולט ומעלה".

לבריאות ולביטחון

היישומים הפוטנציאליים של המצברים הזעירים רבים מאוד, ובהם: שתלים שמשחררים תרופות בגוף באופן מבוקר; קפסולות לבליעה הנושאות מיקרו-מצלמות להדמיה פנימית של מערכת העיכול (אנדוסקופיה); שתלים באוזן המסייעים לשמיעה; קוצבי לב; חיישנים למדידת לחץ דם או רמת האינסולין בדם; אגירת אנרגיה המופקת מהשמש על-ידי תאים סולאריים קטנים; חיישנים לניתור סביבתי ומדידת לחץ אטמוספרי; וחיישנים הפזורים בשטח למטרות ביטחוניות.

תאי דלק ירוקים

במחקרים אחרים נעזרו החוקרים בשיטות של ננוטכנולוגיה כדי לקדם יישומים מתחום האנרגיה, ובעיקר תאי דלק ‘ירוקים' ונקיים. "תא דלק הוא מתקן אלקטרוכימי שממיר באופן רציף אנרגיה כימית של דלק (כמו מימן) וחומר מחמצן (כמו חמצן או אוויר) לאנרגיה חשמלית", מסביר פרופ' פלד. "תאי הדלק הירוקים ידידותיים לסביבה, מכיוון שהם פולטים רק מים וחום לאטמוספרה, ובעשור האחרון הם מעוררים עניין רב ברחבי העולם כאמצעי לייצור ולאגירת אנרגיה בכלל ואנרגיה נקייה בפרט. הם יכולים לשמש לאגירת חשמל המיוצר מאנרגיית הרוח או השמש, ולאספקת חשמל לרשת או לבתים בודדים (בשילוב עם מיזוג אוויר), וכמובן גם למכשירים ניידים. אולם היישום המבטיח ביותר היום הוא הנעת כלי רכב חשמליים".

מרכיב חשוב בתאי הדלק הם הזרזים - חלקיקים ננומטריים שמאפשרים את תהליכי החמצון-חיזור המתרחשים בתא הדלק. הזרזים הקיימים היום עשויים בדרך כלל מננו–חלקיקים של פלטינה - מתכת יקרה במיוחד, שעלותה מגבילה מאוד את השימוש בתאי דלק. למעשה, מחיר הזרזים כיום הוא כמחצית ממחירו של תא הדלק כולו. כדי לייעל ולהוזיל את היישומים, פיתח הצוות של פרופ' פלד זרזים מסוג חדש: גרעין ננומטרי העשוי ממתכת אחרת, יקרה פחות, עטוף בקליפה דקה או בתת–קליפה של פלטינה או סגסוגת פלטינה. זרזים אלה מיוצרים בטכניקה נוחה של שיקוע אל-חשמלי, בטמפרטורת החדר. הם מפחיתים משמעותית את עלות תא הדלק, ובה בעת אינם פוגעים בביצועיו, ולעתים אף משפרים אותם.

מתוך החוברת "המהפכה הזעירה" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>

צוות חוקרים בינלאומי הכולל את פרופ' רנן ברקנא (ראש הצוות) ואנסטסיה פיאלקוב מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באוניברסיטת תל-אביב, אלי ויזבל מאוניברסיטת הרווארד, ופרופ' קריס היראטה ודמיטרי טסליאקוביץ' מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, מצאו שיטה חדשה לגלות את הכוכבים הראשונים מהתקופה המוקדמת שבה גיל היקום היה רק אחוז אחד מגילו הנוכחי.

בעזרת מודל מחשב חדיש הראו החוקרים שהפרש מהירויות בין גז לחומר אפל גורם לכוכבים הראשונים ליצור תבנית של ריכוזים גדולים לצד אזורים חסרי כוכבים. תגלית זו מאפשרת לאסטרונומים לצאת ולחפש את גלי הרדיו באורך גל של 21 ס"מ שפלט המימן הבראשיתי, כשהוא חומם ע"י הכוכבים הראשונים בעת שהיקום היה בן 200 מיליון שנה בלבד.

היסטוריה קוסמית

היווצרות הכוכבים היא חלק מההיסטוריה הקוסמית שלנו. אסטרונומים כיום יודעים שהרבה לפני שהופיעו הכוכבים, מילא את היקום המוקדם גז חם ואחיד. מנגד, היקום המורכב של היום מכיל כוכבים וגלקסיות. אחד התחומים המרתקים באסטרונומיה הוא חקר עידן היווצרות הכוכבים הראשונים, שבו החל היקום לקבל את צורתו המודרנית. הגלקסיה הכי רחוקה שנתגלתה עד כה נוצרה בתקופה שהיקום היה בן 800 מיליון שנה, ויהיה קשה מאד לראות בצורה ישירה גלקסיות מוקדמות הרבה יותר. מכיוון שהיקום היה מלא באטומי מימן בזמנים אלה, הדרך הכי מבטיחה לצפות בעידן היווצרות הכוכבים הראשונים היא בעזרת הקרינה של מימן באורך גל של 21 ס"מ (שנופל בתחום של גלי רדיו). גם את הקרינה הזו קשה למדוד, כי צריך להתמודד עם הקרינה החזקה, באותו אורך-גל, של הגלקסיה שלנו וגלקסיות קרובות. התקווה היא שהסיגנל הקוסמי לא יהיה אחיד אלא ישתנה ממקום למקום, ואז יהיה קל יותר להפריד אותו מהקרינה המקומית שהיא יחסית אחידה.

אכן, מצפים להפרעות גדולות בהתפלגות הכוכבים הראשונים, כך שאזורים מסוימים יהיו מלאים בכוכבים (מחולקים למיני-גלקסיות שהן קטנות מאד ביחס לגלקסיות של היום כמו שביל החלב), בעוד אזורים אחרים יהיו כמעט ריקים. ניתן להבין את הסיבה לכך מאנלוגיה פשוטה: נניח שאנחנו רוצים למצוא על כדה"א את כל הפסגות מעל 5000 מטר. פסגות אלה (כ- 200 במספר) לא מפולגות באופן אחיד על כדה"א, אלא נמצאות כולן בכמה ריכוזים על רכסי ההרים הגדולים. הנקודה היא שעל רכס הרים גדול, כל גבעה הופכת לפסגה גבוהה, כאשר גבעה דומה שנמצאת בעמק היא רק גבעה. באופן דומה, הגלקסיות הראשונות מרוכזות באזורים שבהן הצפיפות הממוצעת של החומר היא גבוהה בכל האזור. הצפיפות הגבוהה מגבירה את כוח המשיכה באזור כולו ועוזרת ליצור ריכוזי חומר אפל, שהגז אז נופל לתוכם ויוצר כוכבים.

גלי רדיו לגילוי כוכבים

לרעיון הבסיסי הזה נוספה לאחרונה ההבחנה שהחומר האפל והחומר הרגיל (ז"א הגז) נעים במהירויות שונות ביקום המוקדם. בשנתיים האחרונות נחקרה ההשפעה של הבדלי המהירויות האלה בעזרת מודלים מתמטיים וסימולציות נומריות. במאמר יצרו החוקרים לראשונה סימולציה של ההתפלגות התלת-ממדית של הכוכבים הראשונים והראו שהבדלי המהירויות מגבירים מאד את ההפרעות (פלקטואציות) על סקאלות גדולות.

ספציפית, בעידן של החימום הראשון של המימן בין הגלקסיות (ע"י קרינת רנטגן מהגלקסיות), נצפה להפרעות גדולות על סקאלה שמתאימה ל- 400 מיליון שנות אור ביקום כיום. את ההפרעות הללו נראה בסקאלה זוויתית של 2/3 מעלה (לשם השוואה, את השמש והירח אנו רואים בגודל של כ- 1/2 מעלה), ולכן יהיה קל יחסית למדוד אותן (כי אין צורך בטלסקופים בעלי הפרדה זוויתית גבוהה).

התבנית שהחוקרים מנבאים פותחת את האפשרות לגלות בעזרת גלי רדיו את הכוכבים המוקדמים שנוצרו כשגיל היקום היה כ-180 מיליון שנה (1.3% מגיל היקום כיום). הסיגנל שהם מנבאים גם כולל בתוכו חתימה תצפיתית כזו שמדידה שלה תצביע באופן ברור על קיום מיני-גלקסיות קטנות בתקופה ההיא ועל ההשפעה של הבדלי המהירויות עליהן. זוהי הזדמנות גדולה והחוקרים מצפים למאמץ תצפיתי ניכר בכיוון זה.

למידע נוסף >>