מחקרים

לך אל הארבה, למד דרכיו וחכם

"מערכת העצבים היא המצאה כל-כך יעילה של הטבע, שהאבולוציה שימרה אותה כמעט באותה מתכונת, גם בצורות חיים שונות מאוד זו מזו," מסביר פרופ' אילי, "למעשה, מותר האדם מן החרק בהקשר זה הוא מספרי בעיקרו: מורכבותו האדירה של מוחנו מתאפשרת הודות למספר גדול הרבה יותר של תאי עצב, אך עקרונות התפקוד נותרו דומים. לפיכך, למרות המרחק האבולוציוני הניכר, יכולים חרקים לשמש מודל מצוין למחקר, וללמד אותנו רבות על תפקודו של המוח האנושי. יתרה מכך, דווקא העובדה שהמערכות של החרקים פשוטות בהשוואה לאלו של יונקים, מהווה יתרון גדול במעבדה."

וכך, כאשר ביקש לבחון את תכונות הגמישות של המוח (יכולתו  להשתנות), בחר החוקר בחיית מודל בלתי שגרתית: ארבה המדבר, אותו ארבה שכולנו מכירים היטב ממכות מצרים. לדבריו, אין עוד חרק שהתנהגותו משתנה באופן קיצוני כל-כך: בדרך כלל, הארבה ממעט לעוף ונוהג ככל חגב אחר, אך לפתע פתאום, בעקבות שינויים מסוימים בסביבה, הוא מצטרף לנחילים עצומים הפושטים על השדות ומכלים כל בדל ירוק הנקרה בדרכם. פרופ' אילי וצוותו בחנו את הבסיס העצבי לשינוי התנהגותי דרמטי זה וגילו הבדלים בין תאי העצב של ארבה בשני המצבים השונים, בעיקר בתאים האחראים על התעופה. התברר, כי בזמן המהפך מייצר מוח החגב חלבונים חדשים – מאפיין מוכר וחיוני של תהליכי למידה וזיכרון לטווח ארוך גם בבעלי חיים מורכבים יותר. כיום בוחנים החוקרים את תהליכי השינוי לעומקם, בתקווה כי בעתיד ניתן יהיה להסתייע בממצאים כדי להבין טוב יותר את יכולות הלמידה והזיכרון של המוח האנושי.

רשתות עצביות בצלחת

במחקרים אחרים שנערכים במעבדה, מגדלים החוקרים רשתות עצבים של חרקים בתוך צלחות מיוחדת, בעלות 'פיגומים', באמצעות תאים שנלקחו מגופם של החרקים. בניית רשת עצבים שלמה במעבדה מאפשרת להם לצפות בהתהוות המערכת ובפעילותו של כל תא בנפרד, לבחון כיצד התאים גדלים, מתחדשים ומתחברים, וגם לתעד את הפעילות החשמלית שבתוכם וביניהם. כך חוקרים המדענים חומרים הגורמים למחלות עצביות באדם, כמו אלצהיימר למשל, במטרה לפתח מודל ניסוי נגיש ואמין, בו אפשר יהיה לבחון תרופות פוטנציאליות למחלות של מערכת העצבים. ועוד היד נטויה: פרופ' אילי, צוותו ושותפיו במעבדות אחרות משוכנעים כי יש לאדם עוד הרבה דברים ללמוד מן הארבה בפרט, ומממלכת החרקים בכלל.

מדעי החישוב

"השם 'מדעי המחשב' הוא שם מטעה", מסביר פרופ' ישורון. "ייתכן שצריך היה לקרוא לתחום 'מדעי החישוב'. כי אנחנו, אנשי מדעי המחשב, איננו מתעניינים למעשה במחשב עצמו, אלא בעקרונות החישוביים שעליהם מושתתת פעולתו. המחשב הוא בעיקרו מערכת חישובית, שקולטת מידע, מעבדת אותו באמצעות חישובים מתמטיים, ופולטת את מסקנותיה. על-פי תפיסת המדע המודרני, אותם עקרונות בדיוק מאפיינים את המוח החי. כמו המחשב, כך גם המוח – יצירת הפאר של הטבע - פועל כמערכת חישובית: בכל רגע ורגע, לאורך כל שנות חיינו, קולט מוחנו גירויים, מעבד אותם בתהליכי חישוב וקידוד שעדיין אינם נהירים למדע, והופך אותם לתמונות וצלילים, תחושות ורגשות, מחשבות ותנועות מוטוריות. אנו, אנשי מדעי המחשב, מתעניינים במהות, ביכולות ובמגבלות של התהליך החישובי, המשותף למחשב ולמוח. שוב ושוב אנו שואלים: מה בכלל ניתן לחישוב, ובאיזה אופן? והתשובות מלמדות אותנו רבות על המערכת המלאכותית ועל המערכת הטבעית גם יחד."   

המוח האלגוריתמי

באמצעות שיטות מתמטיות המפותחות במעבדתו, בוחן צוותו של פרופ' ישורון את הדמיון בין השיטות החישוביות של המחשב לבין אלו של המוח. אחד ממחקריו עוסק בחידת ההסוואה: כיצד יכולה מערכת לראייה מלאכותית להבחין בגוף תלת-ממדי על רקע דו-ממדי, וכיצד עושה זאת העין הטבעית? האם מיומנות זו עשויה לסייע למערכת תצפית ממוחשבת להבחין בחייל אויב שהסווה את עצמו בשטח? מצד שני, האם וכיצד היא מאפשרת לטורף לאתר את טרפו, שצויד על-ידי האבולוציה בצבעי הסוואה? 

פרופ' ישורון וצוותו פיתחו שיטה חישובית לזיהוי עצם תלת-ממדי בתוך תמונה, וגילו כי האלגוריתם המתמטי שפיתחו דומה דמיון מרתק למנגנון החישוב המוחי הקיים בטבע. ויותר מכך, מתברר שיצורים רבים בטבע אף פיתחו מנגנוני הסוואת-נגד, כדי להתגבר על יכולת ההבחנה של הטורף, ואותה הסוואת-נגד בדיוק מצליחה לגבור גם על השיטה החישובית שפותחה במעבדה.

במחקר אחר, חברו מדעני המחשב לצוות ממדעי המוח, ויישמו שיטות ניתוח חישוביות על ניסוי שבחן את מוח האדם. במסגרת המחקר, התבקשו שתי קבוצות של נבדקים לבצע שתי פעולות שונות. לדוגמה: קבוצה אחת קיבלה הנחיה לקחת ארנק המונח על שולחן, והקבוצה השנייה התבקשה להוציא את אותו ארנק מכיס של מעיל. שעה לאחר מכן נבחנה הפעילות המוחית של כל נבדק בהדמייתfMRI , במטרה לברר האם אפשר בדרך זו להבחין בין שתי הקבוצות, או במילים אחרות: האם הפעילות המוחית ברגע מסוים מעידה על פעולה מוטורית שבוצעה זמן-מה קודם לכן? ממצאי בדיקת ה-fMRI נותחו באמצעות אלגוריתמים מתמטיים שפותחו על-ידי פרופ' ישורון וצוותו - והחישוב הצליח לתת תשובה נכונה ביותר מ-90% מהמקרים.

החוקרים מקווים להיעזר בעתיד בדמיון התפקודי שבין המוח למחשב, כדי לפתח מערכות ממוחשבות שימלאו את מקומן של מערכות טבעיות פגועות, כמו למשל מערכות ראייה מלאכותית, שיחליפו את העין, יתחברו ישירות למוח ויפקחו עיני עיוורים.

טכנולוגיה מתקדמת בשירות חקר המוח

הגורם הגנטי הנפוץ ביותר לאלצהיימר

 apoE הוא חלבון חיוני בפעילות המוח. גרסה פגומה שלו, הנקראתapoE4 , מוכרת כגורם סיכון למגוון מחלות ופגיעות הקשורות למוח, ומצויה בכ- 15% מהאוכלוסיה. לדוגמה, חלבון פגום זה הוא הגורם הגנטי הנפוץ ביותר למחלת האלצהיימר, ונוכחותו מקדימה את התפרצותה ב-10 עד 20 שנה. כדי להבין טוב יותר את השפעתו המזיקה של החלבון הפגום, ערכו פרופ' מיכאלסון וצוותו מגוון מחקרים בעכברי מודל הנושאים את הגן הפגום שגורם ליצירת apoE4.

החוקרים בחנו את האינטראקציה בין ה-apoE4 לבין הבטא-עמילואיד - חלבון מוחי שהופך רעיל במינונים גבוהים, ומוכר כגורם מרכזי להרס תאי העצב במחלת האלצהיימר.

ניסוי עיקרי מתוך מגוון ניסויים שנערכו הראה כי apoE4 אכן מעודד הצטברות של בטא-עמילואיד בתאי העצב שבמוח, בתהליך שמוביל בסופו של דבר למות התאים. ממצאים אלה הולידו גישה מקורית, שעשויה להוות בעתיד בסיס לפיתוח תרופה חדשנית שתתערב באינטראקציה בין ה-apoE4 לבין הבטא-עמילואיד, תמנע את העלייה המסוכנת ברמת הבטא-עמילואיד, וכך תשבש מראשיתו את התהליך הניווני במוח. 

על פוטבול, אגרוף וחלבון פגום

במחקר אחר התברר כי אתגרים ומתח רגשי הכרוכים בפעילות מוגברת, כמו גם חשיפה לזעזועים, מאיצים את הרס תאי העצב במוחם של עכברים הנושאים את הגן הפגום ופוגעים ביכולות הלמידה והזיכרון שלהם. תזונה נכונה יכולה למתן את השפעתו המזיקה של apoE4. מזון עשיר בכולסטרול העצים את הפגיעה במוחם של העכברים בעלי הגן הפגום, בעוד שמזון עשיר באומגה 3, כמו דגים למשל, סיפק הגנה מוגברת לתאי העצב.

מחקר שבדק שחקני פוטבול בארה"ב, הנחשפים לחבלות חוזרות במסגרת המשחק, גילה כי כ-20 שנה לאחר שפרשו מהמשחק, בסביבות גיל 50, שחקנים בעלי מוטציה ל-apoE4 סובלים מירידה קוגניטיבית גדולה יותר, בהשוואה לבעלי apoE תקין.

אם כך, ההמלצות המתבקשות לבני אדם בעלי apoE4 הן: להימנע מעיסוק בספורט הכרוך בחבלות וזעזועים – כמו פוטבול או אגרוף, לשמור על רגיעה ולהפחית את החשיפה לגירויים, וכמובן, להקפיד עד מאוד על תזונה מתאימה.

נוגדנים 1 חלבון פגום 0

לאור ממצאי המחקרים, שואפים כעת פרופ' מיכאלסון וצוותו לפתח חומרים שיחסמו את פעילותו של apoE4 וינטרלו את השפעותיו המזיקות. לשם כך הם פיתחו לאחרונה נוגדנים, המסוגלים לזהות באופן ספציפי את החלבון הפגום, והזריקו אותם למוחם של עכברים בעלי apoE4. המחקר הראשוני מראה כי הנוגדנים אכן מצמצמים את הנזק הנגרם על-ידי החלבון  ומסמנים דרך מבטיחה לפיתוח תרופות עתידיות.