פריצת דרך פיזיקלית והנדסית מציעה שיטה יעילה יותר מהטכניקות הקיימות כיום לצמצום תופעת החזרת האור
מחקרים
RESEARCH
מה מעניין אותך?
מחקר
05.04.2022
הטכנולוגיה החדישה לביטול החזרת גלי אור ממשטחים
- הנדסה וטכנולוגיה
כאשר קרן אור עוברת מתווך אחד לשני, גם אם שניהם שקופים (כגון מאוויר לזכוכית), חלק מעוצמת האור מוחזר וחלק עובר. תופעה זו, אשר מתבטאת למשל בהשתקפות שאנו רואים כאשר מסתכלים החוצה בשעות החשיכה מחדר מואר דרך החלון, היא תופעה כללית של התפשטות גלים וקיימת גם בגלי רדיו, מיקרוגל, גלי קול, גלי לחץ, ואף בפונקציות הגל המתארות חלקיקים קוונטיים.
"תופעת ההחזרה החלקית נובעת מכך שלתווכים שונים תכונות אופטיות שונות," מסביר פרופ' קובי שויער. "כך למשל, ההחזרה החלקית מזגוגית החלון נובעת מכך שמהירות האור באוויר ובזכוכית הן שונות – האור מתקדם לאט יותר בזכוכית. תופעת ההד שאנו שומעים בקרבת מצוקים נובעת מסיבה דומה – גלי הקול יכולים להתקדם בקלות בחומרים מוצקים, במהירות גבוהה יותר מאשר מהירותם באוויר. ההבדל בין מהירות הקול באוויר ובסלע גורם להחזרה חלקית של גלי הקול והוא זה שיוצר את ההד."
מחקר חדש מציע שיטה חדשנית לביטול החזרת גלי אור ממשטחים, אשר מונעת החזרה של טווח רחב של אורכי גל או תדרים. המחקר נערך בהובלת פרופ' קובי שויער ופרופ' פבל גינזבורג מביה"ס להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, בשיתוף עם ד"ר דמיטרי פילונוב מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה, ופורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Optics Express.
לנטרל את הגורם המפריע
במקרים רבים, מציינים החוקרים, תופעת ההחזרה החלקית מהווה גורם מפריע. במערכות תצפית ואופטיקה מורכבות כגון מיקרוסקופ, תופעת ההחזרה החלקית עלולה לגרום להפחתה דרמטית בעוצמת האור המגיעה לעין האנושית או לגלאי, ובכך לפגיעה משמעותית בביצועי המערכת. כדי להעניק פתרון לתופעת ההחזר החלקית על פני טווח תדירויות רחב, החוקרים ניגשו לבעיה מכיוון שונה לחלוטין.
פרופ' שויער מרחיב: "באופן כללי, על מנת להפחית את תופעת ההחזרה החלקית ניתן להשתמש ב'ציפוי נגד החזרות' (anti-reflection coating). ציפוי זה מתפקד כמהוד (באנגלית resonator) הגורם להתאבכות בונה של האור בכיוון ההתקדמות ולהתאבכות הורסת לאחור, וכך מידת ההחזרה פוחתת. ציפויים מסוג זה ניתן למצוא במגוון רחב של מערכות אופטיות ואקוסטיות, ואפילו במשקפי ראייה. החיסרון העיקרי של השיטה הוא יעילותה המוגבלת, אשר מתאימה לתדר יחיד, זהו תדר התהודה."
במערכות הנדרשות לטפל בטווח של אורכי גל או תדרים, לדוגמה משקפי ראייה או מיקרוסקופ, השיטה הקיימת אינה מבטלת לחלוטין את ההחזרה החלקית של האור. עקרונית, ניתן להרחיב את השיטה לטיפול בטווח של אורכי גל או תדרים, וזאת ע"י הרכבת ציפוי שכולל מספר שכבות מחומרים ועוביים שונים, אך בפועל קשה מאוד לתכנן ציפויים מרובי שכבות מכיוון שנדרשת אופטימיזציה מסובכת של עובי השכבות ותכונותיהן.
נעים להכיר: "מהוד לאור לבן"
על מנת להתגבר על מגבלת היעילות בשיטות הקיימות, פיתחו החוקרים התקן המכונה "מהוד לאור לבן". לדברי פרופ' שויער, "בניגוד למהודים רגילים, המאופיינים ע"י מספר מסוים ומוגבל של תדרי תהודה, המהוד החדש מסוגל להגיב לטווח רציף של תדרים. הרעיון שמאחורי השיטה החדשה הוא שימוש בתכונות הייחודיות של המהוד לאור לבן על מנת ליצור התאבכות הורסת של הגלים המוחזרים על פני כל טווח התהודה של המהוד ובאופן זה לבטלם. מימוש המהוד המיוחד מתאפשר הודות לשילוב של מספר שכבות בעלות תכונות אופטיות שונות, אלא שבניגוד לגישה הקונבנציונלית, התכנון הוא פשוט ואינו דורש אופטימיזציה ממוחשבת מסובכת."
החוקרים אימתו את תקפות הרעיון ע"י מימוש מבנה שמבטל החזרות בטווח תדרים רחב בתחום המיקרוגל. לשם כך, הם הרכיבו שני מוליכי גלים בעלי מאפיינים שונים והראו כי ניתן לבטל את ההחזרה החלקית אשר מתרחשת באופן רגיל, כאשר גלי מיקרוגל עוברים ממוליך גלים אחד לשני, ע"י מימוש מהוד אור לבן המורכב ממקטעים של מוליכי גלים בעלי מאפיינים שנבחרו בהתאם. כדי לשלוט במאפייני המקטעים המרכיבים את המהוד, החוקרים מילאו אותם במטא-חומרים שמומשו באמצעות הדפסה תלת ממדית.
פרופ' שויער מסכם באופטימיות: "קונספט המהוד לאור לבן הינו אוניברסלי וניתן למימוש לכל סוגי הגלים ובכל טווחי התדרים. ליכולת לבטל החזרות על פני טווח תדרים רחב עשויות להיות השלכות מרחיקות לכת ויישומים רבים כגון מערכות תצפית ודימות טובות יותר, מערכות תקשורת בעלות טווח וקצב מידע משופרים וכן פיתוח טכנולוגיות חמקנות."
מחקר
05.04.2022
לראשונה בעולם: רובוט שיכול להרים חפצים בגודל של מילימטר
צוות המחקר הצליח לחקות עקרון פעולה של חרקי מים זעירים ולתרגם אותו לתהליך מכני מבוקר שניתן ליישום טכנולוגי
- הנדסה וטכנולוגיה
טכנולוגיה חדישה של אוניברסיטת תל אביב תאפשר לראשונה בעולם לרובוטים ימיים להרים חפצים זעירים שגודלם קטן ממילימטר. במסגרת המחקר, בנו החוקרים זרוע רובוטית עם ראש מיוחד שהודפס בתלת ממד ואשר יכול לייצב בועות אוויר על מנת ליצור "גשרים קפילריים" (בעלי תכונת הנימיות) שעשויים מאוויר בלבד. תכונת הנימיות משמעה שנוזלים מסוגלים "לטפס" במעלה צינורות דקים בהיעדר כוחות חיצוניים כמו כוח הכבידה, ולעתים אף בניגוד אליהם. לטענת החוקרים, הזרוע הרובוטית יכולה לשמש באוטומציה של ניסויים עם תאים ביולוגיים בסביבה מימית, בהתקנים מיקרוניים בסביבת נוזלים, במניפולציה וסידור של חפצים קטנים מתחת למים ואף בניקוי משטחים הטבולים בנוזל.
המחקר התבצע בהובלת ד"ר בת-אל פנחסיק, חברת סגל בכירה בביה"ס להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, יחד עם תלמידיה במעבדה לביו-מימטיקה של מערכות מכניות ופני שטח. המחקר פורסם על שער כתב העת היוקרתי ACS Applied Materials & Interfaces.
ללכת מתחת למים
החוקרים מסבירים כי מתחת למים חרקים רבים נעזרים בזיפים זעירים, שמאפשרים להם לכלוא ולייצב בועות אוויר דוחי מים המכסים את גופם. כשבועות אלו באות במגע עם משטחים, הן יוצרות גשרים עשויים מאוויר שמאפשרים לחרקים ללכת מתחת למים.
בצורה הזו, בדומה לחרקים, הצליחו החוקרים להראות שניתן להשתמש בגשרים נימיים של אוויר על מנת להרים ולמקם חפצים רבים קטנים וקלים (מסדר גודל של מילימטר ואף פחות מכך) מתחת למים, ואשר לא ניתן להרים ולשחרר בדרך אחרת. עם חפצים אלה ניתן למנות יריעות דקות, משטחים מחוררים או מחוספסים, חלקיקים זעירים בצורות שונות, לכלוך ועוד.
ד"ר פנחסיק מסבירה: "ככל שמערכות רובוטיות הופכות קטנות יותר, הן מושפעות יותר מכוחות פני שטח. למשל, הכוחות שגורמים לחרקים קטנים להיכלא בפני השטח של מים בלי יכולת להשתחרר. במקרה הזה הפכנו את החיסרון ליתרון – רתמנו כוחות פני שטח אלה על מנת לבצע מטלות הכרוכות בהזזת חפצים קטנים וקלים, מסדר גודל של מילימטר ומטה".
לשאוב השראה מהטבע
"הצלחנו לחקות עקרון פעולה של חרקים ולתרגם אותו לתהליך מכני מבוקר שניתן ליישום טכנולוגי. בנוסף, הראינו כי אפשר לקפל יריעות דקות מתחת למים, בדומה לאוריגמי, על ידי שימוש בבועות אוויר. ככל הידוע, לא קיים מנגנון הדבקה או אחיזה אשר מסוגל לבצע את כל הפעולות הללו על מגוון כה גדול של חלקיקים וחפצים מזעריים, וזאת ללא שימוש בדבק ובצורה מדויקת, פשוטה וגם הפיכה, שכן ניתן לשאוב את האוויר הכלוא בזמן ובמקום המתאים וכך לשחרר את החלקיקים מהדבקה".
בניגוד למנגנוני הצמדה והדבקה המבוססים על דבק כימי, במחקר זה אין שימוש בכימיקלים, ולכן במקרים שבהם זיהומים הם סיכון משמעותי, כמו למשל בהליכים רפואיים או ניסויים ביולוגיים, לא ניתן להכניס חומרים זרים לסביבת העבודה. הזרוע הרובוטית פותחת את האפשרות לנקות את סביבת העבודה הנוזלית מחלקיקי מזהמים, דבר שלא ניתן לביצוע על ידי זרועות רובוטיות קונבנציונליות.
ד"ר פנחסיק מסכמת: "במחקר שלנו אנו מתעניינים במערכות בטבע, בעיקר אצל חרקים, כדי לקבל השראה לפיתוח של מערכות רובוטיות קטנות, או כאלו שעושות שימוש בעקרונות פיזיקליים המשמשים את החרקים בטבע על מנת לשרוד ולבצע פעולות חשובות באוויר או במים. לשם כך, יש בקבוצה סטודנטים וסטודנטיות מהנדסה מכנית, הנדסה ביו-רפואית, הנדסת חומרים ופיזיקה. זה מה שנותן לנו יתרון גדול במחקר שהוא רב-תחומי ובמציאת רעיונות לא שגרתיים ופתרונות יצירתיים בתחום הרובוטיקה והחומרים, ואכן הצלחנו במקרה זה לחשוב מחוץ לקופסה ולהגיע לכלל הדגמה וביצוע איכותיים".
צפו בסרטון שמדגים את עיקרון הפעולה של הרובוט
מחקר
05.04.2022
מסמסים לבוס? אל תשלחו אימוג'י
מחקר ראשון מסוגו בעולם ממליץ למועסקים להמעיט בשימוש באימוג'ים
- ניהול ומשפט
חשוב לך לשדר כוח מול הקולגות או ההנהלה בעבודה? כדאי לך לצמצם את השימוש בתמונות ובאימוג'ים ולהקפיד על העברת מסרים מילולית. כך עולה ממחקר חדש של הפקולטה לניהול ע"ש קולר. בהתאם לממצאי המחקר, החוקרים מעריכים כי עובדות ועובדים שעושים שימוש בתמונות ובאימוג'ים בעת שליחת הודעות מיילים, כפרופיל זום, ואפילו כלוגו ויזואלי (לעומת לוגו מילולי) של חברה על חולצה, עשויים להיתפס כחלשים וחסרי סמכותיות. עוד עולה מהמחקר כי מי ששולח מסרים מילוליים נתפס כבעל כוח.
תמרור אזהרה לסמיילי
במחקר ראשון מסוגו בעולם בחנו החוקרים תגובות של נבדקים אמריקנים לייצוגים מילוליים מול ייצוגים ויזואליים בתרחישים שונים. התוצאות היו חד משמעיות: בכל הניסויים ייחסו המשיבים כוח רב יותר לאדם שבחר בייצוג מילולי של המסר, מול זה שבחר בייצוג ויזואלי.
המחקר בוצע על ידי ד"ר אלינור עמית ופרופ' שי דנציגר מהפקולטה לניהול ע"ש קולר, בשיתוף עם פרופ' פאמלה ק. סמית מבית הספר לניהול ע"ש ראדי באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Organizational Behavior and Human Decision Processes.
"בעולם המודרני בכלל, ובזירה הדיגיטלית בפרט, הפך השימוש בייצוגים ויזואליים כגון תמונות, אימוג'ים וסרטונים לנפוץ ביותר, ומחקרים מראים שיש לו יתרונות רבים, לעתים בבחינת 'תמונה אחת שווה אלף מילים'. כולנו התרגלנו לכך, ובמקרים רבים אנחנו בוחרים באופן אינטואיטיבי להציג מסר באופן ויזואלי. במחקר הנוכחי ביקשנו לבחון אם יש גם מחיר לבחירה בייצוגים הוויזואליים הפופולריים כל כך. ספציפית, בחנו את ההשערה ששימוש בייצוגים ויזואליים, לעומת שימוש בייצוגים מילוליים פוגע בכוח הנתפס של שולח המסר", מסבירה ד"ר עמית.
לוגו מילולי או לוגו תמונתי?
כדי לבחון זאת ערכו החוקרים שורת ניסויים, שבהם הוצגו למאות נשאלים תרחישים שונים מחיי היומיום. לדוגמא, באחד הניסויים התבקשו הנבדקים לדמיין שהם הולכים לביקור שגרתי במרכול ונתקלים שם באדם זר שלובש חולצה של קבוצת הבייסבול האמריקאית 'רד-סוקס'. מחצית מהנבדקים ראו תמונה עם הלוגו המילולי על החולצה, ואילו המחצית השנייה ראתה תמונה עם הלוגו התמונתי על החולצה. תוצאות הניסוי הראו כי הנבדקים שראו תמונה של החולצה עם הלוגו התמונתי שפטו את האדם כבעל פחות כוח מאשר הנבדקים שראו את החולצה עם הלוגו המילולי.
תוצאות הניסוי הזה חזרו על עצמן במגוון הקשרים ועם מגוון ייצוגים. כך לדוגמא, בניסוי אחר התבקשו הנבדקים לדמיין כי הם משתתפים ביום כיף לעובדים (retreat), של חברת 'לוטוס'. לאחר מכן נאמר למחצית מהנבדקים כי עובדת בחברה בחרה בחולצה עם הלוגו המילולי של החברה (המילה 'לוטוס'), ואילו למחצית השנייה נאמר שהעובדת בחרה בחולצה עם הלוגו התמונתי של החברה (ציור מינימליסטי של פרח הלוטוס). התוצאות הראו כי הנבדקים ייחסו לעובדת שבחרה בחולצה עם הלוגו המילולי יותר כוח מאשר לעובדת שבחרה בחולצה עם הלוגו התמונתי.
כוחה של המילה הכתובה
תוצאות מניסויים נוספים הראו שאנשים נתפסים כחלשים יותר בעקבות שילוב של אימוג׳ים בהודעות מיילים, או בחירה בפרופיל זום ויזואלי לעומת מילולי. לדוגמא, באחד הניסויים התבקשו נבדקים לצפות בפרופיל הזום של כמה משתתפים אחרים בניסוי, ולבחור נבדק אחד מתוכם, אשר ייצג אותם במשחק משא ומתן תחרותי.
תוצאות הניסוי הראו כי 62% מהנבדקים בחרו בנבדק שייצג את עצמו בזום באופן מילולי, ואילו רק 38% מהנבדקים בחרו בנבדק שייצג את עצמו עם תמונה. ניסוי זה מדגים כי להשפעה של אופן הייצוג (תמונתי או מילולי), יש השלכות מעשיות חשובות להתפתחות המקצועית של עובדים: עובדים שמשדרים כוח באמצעות שימוש במילים הם בעלי סיכוי רב יותר להיבחר לתפקידים בעלי כוח. לעומת זאת, עובדים שמשדרים חולשה בעקבות שימוש בתמונות הם בעלי סיכוי נמוך יותר להיבחר לתפקידים בעלי כוח.
"הממצאים שלנו מתקשרים ישירות לתיאוריה שפותחה בשנים האחרונות, שקובעת כי בתוך יחסי כוחות, החזק ישאף ליותר ריחוק חברתי ואילו החלש יבקש דווקא להתקרב אל החזק. מסר שמוצג בתמונות מפורש על ידי רבים כהבעה של רצון להתקרב חברתית, ולכן מי שמשתמש בו נתפס כאדם בעל פחות כוח וסמכותיות", מסבירה ד"ר עמית ומסכמת: "חשוב לציין שאבחנה זו על פי רוב אינה רלוונטית ביחסי קרבה כמו למשל בווטסאפ המשפחתי. עם זאת, בזירות רבות בחיינו, בעיקר בעבודה ובעסקים, מתקיימים יחסי כוחות, וכשאנו מציגים מסר, חשוב שנהיה מודעים לרושם שאנו יוצרים בצד השני. הממצאים שלנו מציבים תמרור אזהרה: אם אתם מעוניינים לשדר כוח או לא להיתפס כחלשים בעיני עמיתים, עובדים, מנהלים, לקוחות, או כל נמען אחר, חישבו פעמיים לפני שאתם שולחים אימוג'י או תמונה".
מחקר
03.04.2022
הענק הירוק
חוקרים גילו מוטנט של אצה שמאפשר ייצור מימן ירוק בסדרי גודל תעשייתיים
- רפואה ומדעי החיים
מימן גזי הינו דלק לא מזהם שיכול לשמש כדלק לכלי תחבורה חשמליים מסוגים שונים. אופניים ומכוניות מונעים במימן כבר מיוצרים באופן סדרתי מספר שנים, ובכלי רכב אלו מוחלפת סוללת הליתיום המזהמת בתא דלק שממיר מימן לחשמל. כיום רוב המימן בעולם מיוצר מגז טבעי אך בתהליך מזהם מאד ולכן נקרא מימן אפור. ישנו גז מימן שמיוצר רק באמצעות אנרגיה מתחדשת והוא נקרא מימן ירוק, בשל העובדה שייצורו אינו פולט כל זיהום או פחמן דו חמצני לאטמוספרה. החיסרון טמון בתהליך ייצורו היקר, בשל העובדה שהוא דורש מתכות יקרות ומים מזוקקים: נכון להיום, ניתן לייצר מימן ירוק באמצעות פאנלים סולאריים, שמחווטים למכשירים המבצעים ביקוע מים למימן וחמצן (אלקטרולייזרים).
בטבע מיוצר המימן כתוצר לוואי של תהליך הפוטוסינתזה על ידי מיקרו-אצות, שהן אצות חד תאיות שנמצאות בכל מאגר מים ואפילו בקרקע. כדי שתהליך זה יוכל להיות מקור בר קיימא לאנרגיה, על האנושות להנדס זני מיקרו-אצות שייצרו מימן למשך ימים ושבועות. מחקרה של הדוקטורנטית תמר אלמן, בהנחיית פרופסור יפתח יעקובי מהמעבדה לאנרגיה מתחדשת בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, הוביל לפריצת דרך משמעותית, שתאפשר לראשונה ביצוע מחקרים הנדסיים העוסקים בתיעוש תהליך יצור מימן ירוק. במהלך המחקר נתגלה מוטנט של אצה מיקרוסקופית, שמאפשר לראשונה ייצור גז מימן ירוק בסדרי גודל המתאימים לדרישות תעשייתיות. הוא פורסם לאחרונה בכתב העת Cell Reports Physical Sciences.
הענק הירוק. מוטנט המימן כפי שנתגלה במעבדה לאנרגיה מתחדשת
ימים שלמים של ייצור
"כאשר מצאנו שבמוטנט זה לא מצטבר חמצן בכל עוצמות התאורה (מה שכן קורה בזן הבר), העלינו השערה שנוכל להפיק ממנו ייצור מימן מתמשך. בעזרת מדידות בביו-ריאקטורים (מתקן או מערכת ייצור או הנדסה שמיועדים לסביבה של פעילות ביולוגית), בנפחים של ליטר, מצאנו ייצור מימן רציף למשך למעלה מ-12 יום (במקום התהליך הטבעי שנמשך דקות). המוטנט מתגבר על שני חסמים מרכזיים שלא אפשרו עד כה ייצור מימן רציף", מסביר פרופ' יעקובי ומרחיב "החסם הראשון הינו הצטברות חמצן בתהליך הפוטוסינתזה. החמצן מרעיל את תהליך הייצור המימן. במוטנט, נשימה מוגברת מסלקת את החמצן ומאפשרת תנאים נוחים לייצור מימן מתמשך. החסם השני הינו איבוד אנרגיה לתהליכים מתחרים, בהם קיבוע פחמן דו-חמצני לסוכר. גם הוא נפתר במוטנט ורוב האנרגיה מתועלת לטובת ייצור מימן מתמשך".
כדי לתעש תוצאות מרעישות אלו, עומל כעת צוות המחקר על פיילוט של נפחים גדולים יותר ופיתוח שיטות שיאפשרו הארכת זמן קציר המימן, כדי להוריד את מחירו לרמות תחרותיות. "קצב ייצור המימן מהזן מגיע לכדי עשירית מהקצב התאורטי האפשרי, ובעזרת מחקר המשך יש אפשרות לשפרו אף יותר", מסכם פרופ' יעקובי.
פרופ' יפתח יעקובי ותמר אלמן במעבדה
מחקר
23.03.2022
בדרך לשיפור הטיפול האימונותרפי
מחקר חדש שופך אור על מנגנון חשוב בהתכלות תאי דם לבנים
- רפואה ומדעי החיים
מערכת החיסון שלנו, ובפרט תאי הדם הלבנים, ממלאים תפקיד חשוב בהגנה על גופנו מפני מחלת הסרטן. אולם, כשהתאים האלה נחשפים לרכיבים מסוימים בגידול, תפקודם נפגע באופן קריטי והם למעשה מתכלים. מחקר חדש בשיתוף אוניברסיטת תל אביב, מנסה להבין מדוע בדיוק ההתכלות הזו מתרחשת וכיצד ניתן להשפיע עליה.
המעבדה למערכות אימונולוגיות בהובלת ד"ר אסף מדי והסטודנט שי דולברג מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר, בשיתוף פעולה עם מעבדותיהם של דוד הפלר מאוניברסיטת ייל ו-ויג'יי קושרו מאוניברסיטת הרווארד, מיפו את תהליך השרשרת המלא האחראי להתכלות התאים הללו.
ד"ר מדי מסביר: "בתאי T, שהם סוג של תאי דם לבנים, קיים קולטן מסוים בשם קולטן קו-אינהיביטורי, שיש לו אורך חיים מסוים. ככל שאורך החיים הזה גדול יותר, כך המלחמה בזיהומים חיצוניים טובה יותר. עד היום היה ידוע שקיים מעין 'מחסום בידוק חיסוני' שיודע להתביית על הקולטנים הללו ולמנוע את ההתכלות שלהם. ההבנה הזו חוללה מהפכה בטיפול בסרטן, אך חולים רבים עדיין אינם מגיבים לתרופות המבוססות על מנגנון זה. מכאן נבעה החשיבות של הבנת המנגנון והמניעים להתכלות."
לכל גידול, מפרטים החוקרים, ישנה מיקרו-סביבה המקיפה אותו ומתקשרת איתו באמצעות ציטוקינים – מושג שנשמע פעמים רבות לאורך שנות הקורונה – אלה הם חלבונים קטנים שמהווים בסיס לתקשורת בין תאי מערכת החיסון ובין תאים השייכים לרקמות הגוף. המסד להבנת מושג המיקרו-סביבה הונח על ידי האימונולוג הישראלי הוותיק פרופ' יצחק ויץ מביה"ס שמוניס למחקר ביו רפואי וחקר הסרטן באוניברסיטת תל אביב.
בעבר, זיהו החוקרים סיגנלים הנוצרים במיקרו-סביבה של הגידול הסרטני, ואלה נמצאו כבעלי קשר לביטוי של תאי T ולקולטנים המדוברים. במחקר החדש מראים ומפענחים החוקרים את מנגנוני הוויסות של היווצרות הקולטנים הללו על ידי ציטוקינים בשם "אינטרפרון סוג 1".
קו ההגנה הראשונה של הגוף
ד"ר מדי מרחיב: "אינטרפרון סוג 1 מהווה קו ההגנה הראשונה של הגוף במאבקו בזיהום ויראלי, והשפעתו על תאי T נלמדה לעומק בהקשר של שפעול תאי T, שרידותם ותפקודם. אינטרפרון סוג 1 גם נוצר במהלך זיהום ויראלי כרוני, אוטו-אימוני וסרטני, וראיות מצטברות העלו כי הוא עשוי להיות בעל תפקודים חיסוניים מודולריים מעבר לתפקידו הרגיל בעת זיהום ויראלי חמור. לכן, חשוב מאוד להבין את ההשלכות הביולוגיות של אינטרפרון מסוג 1 על תאי T אנושיים ובהקשר של מחלות שאנו בני האדם נתקלים בהן.
במחקר החדש בחנו רשת גנים דינמית המורכבת מתאי T אנושיים ראשוניים המגיבים לאינטרפרון מסוג 1, תוך שימוש במספר שיטות אנליזה ביוכימיות מתקדמות. הרשת הזו חשפה את תפקידי האינטרפרון בוויסות ובהתבטאות הקולטנים".
על מנת לספק ראיה חותכת באשר להשפעת האינטרפרון על הקולטנים, ביצעו החוקרים ריצוף RNA של תא חי יחיד אשר נפגע מנגיף הקורונה, שם ראו כי המטען הוויראלי מקושר במידה רבה לחתימות שמשאיר האינטרפרון על תאי ה-T. ממצאים אלה שוחזרו גם בניסוי במעבדה, מחוץ לתא החי.
ד"ר מדי מסכם: "המחקר מספק תובנות ומסקנות מעניינות לגבי זיהוי נקודות התורפה בטיפול אימונותרפי לסרטן, מחלות מידבקות ואוטו-אימוניות, כך שאנו סבורים כי איכות הטיפול מסוג זה תוכל לעבור מקצה שיפורים באמצעות יישום המסקנות שהשגנו. מחקרים נוספים במטופלי קורונה אשר טופלו באינטרפרון עשויים גם לספק הצצה מעמיקה לרלוונטיות התפקודית של התגובה של תאי T לאינטרפרון במהלך ההדבקה, כך שטווח ההשפעה האפשרי של המחקר הוא בהחלט רחב ומבטיח".
מחקר
22.03.2022
איך נוצרים גלים בים?
חוקרים פיצחו את התעלומה המדעית באמצעות מודל תיאורטי
- הנדסה וטכנולוגיה
"הנה בא עוד גל גדול, זהירות רק לא ליפול", שר דני סנדרסון לכל הגולשות והגולשים בים. אחת מתופעות הטבע הנפוצות והמוכרות ביותר היא היווצרות של גלי ים על ידי רוחות ומשבי אוויר, אבל מסתבר שלמרות שהתופעה המוכרת נחקרת כבר כ-150 שנה - עד היום לא נמצא עדיין המודל המתמטי המושלם שיתאר את תהליך המנגנון במלואו ויאומת בניסוי. חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו מודל תאורטי חדשני וראשון מסוגו אשר שופך אור על התעלומה. המודל נועד להסביר את תהליך יצירת הגלים והוא נבחן בסדרת ניסויים מורכבים שבוצעו לאורך תקופה ארוכה. מסקנות המחקר פורץ הדרך יסייעו בפיתוח כלים לחיזוי אקלימי וליכולת ניבוי של תנועת מזהמים על פני המים.
אוסף של תדירויות
גלים מכניים ובכלל זה גלי מים, ניתנים לתיאור כאוסף של תדירויות, ממש כפי שניתן לפרוט מנגינה לתווים ולהרמוניות. המודלים הנפוצים ביותר כיום מתחשבים בגידול של הרמוניה בודדת, הבלתי יציבה ביותר, ומניחים שההתפתחות המרחבית שלה אחידה. המודל החדש שמציעים החוקרים מתחשב בכל ההרמוניות הבלתי יציבות ובמגבלות החלות עליהן, בהן מגבלת שבירה של הרמוניות תלולות מאוד, דעיכה הדרגתית כתוצאה מהסתרה של הרמוניות נמוכות על ידי גלים גבוהים יותר ומגבלת זמן התפתחות מרחבי. בכך, התאוריה החדשה מאפשרת לתאר את הסיטואציה הפיזיקלית באמינות גבוהה, בהשוואה למודלים הקודמים.
החוקרים שהובילו את המחקר הם פרופ' לב שמר וד"ר מיטל גבע ממעבדת גלי המים בבית הספר להנדסה מכנית שבפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.
"התפתחות גלי רוח על פני המים היא תופעה מורכבת. אחת הסיבות להיעדר תאוריה כוללת של התהליך נובעת ממחסור בתוצאות ניסיוניות מפורטות. מדידות שדה גלים ורוח בים מוגבלות מאוד, בעיקר בשל חוסר היכולת לשלוט בתנאי הסביבה וקושי לבצע ניסויים בים הפתוח, אפילו בקרבת החוף", מסבירה ד"ר גבע. "במעבדת הגלים בבית הספר להנדסה מכנית קיימת מערכת ניסוי ייחודית ואוטונומית לבחינת האינטראקציה בין המים לרוח ומערכת זו מאפשרת איסוף של מידע מקיף על ההתנהגות במרחב ובזמן של פני המים תחת משטרי רוח שונים".
התגברו על הקושי התיאורטי
הבעייתיות המובנית בתורות הקודמות, ששימשו את החוקרים בתחום זה במשך כ-65 שנה, נובעת מההנחות הרבות עליהן הן התבססו וחוסר היכולת שלהן להתממש בצורה כמותית, מה שהגביל עד מאוד את יכולת החיזוי הפיזיקלית. החוקרים מוסיפים כי הקושי התאורטי שהיה קיים בפיתוח מודל שלם נבע מכך שבמים נוצרות צורות ותבניות דינמיות סבוכות שמגיבות אחת עם השנייה ומאופיינות במידה רבה של אקראיות בזמן ובמרחב התלת ממדי. כמו כן, מעורבים בבעיה שלל כוחות מכניים כמו כבידה, צמיגות ומתח פנים, ויש לקחת בחשבון את מעברי האנרגיה והתנע בין האוויר למים – סוגיה לא טריוויאלית כלל במכניקת הזורמים.
"במחקר זה אנחנו משתמשים לראשונה במשוואות מדויקות ובשיטות מקובלות מתחום המכניקה סטטיסטית על מנת לנתח את התהליכים האקראיים והלא-ליניאריים שמתרחשים בעת היווצרות הגלים. למעשה, המודל המוצע הוא היחיד שמאפשר תיאור בזמן ובמרחב של שדה הגלים החל ממצב של פני מים חלקים ועד למצב סופי הקבוע בזמן, וחשוב מכל – זהו המודל הראשון שאומת באופן מלא מול תוצאות ניסיוניות ומתאר את התהליך לא רק איכותית, אלא גם כמותית", מפרטת ד"ר גבע על המודל החדש ויישומיו.
לחזות את תנועת הזיהום בים
"היווצרות גלי רוח היא תוצאה של אינטראקציה הדדית בין האוקיינוס לאטמוספירה ולכן יש לתהליך השפעה מכרעת על מעבר מסה, תנע ואנרגיה בממשק פני המים. בהתבסס על כך, אנו סבורים כי התיאור המוצע הוא צעד חשוב בשיפור במודלים לחיזוי מזג אויר בטווח קצר ושינוי אקלימי בטווחי זמנים ארוכים יותר. כמו כן, הבנת האינטראקציה תאפשר הערכה של תנאי סביבה המשפיעים על החיים בים ויכולת ניבוי של תנועת מזהמים על פני המים. עם המסקנות מהמחקר ניתן ללכת צעד אחד קדימה בתחומים הללו, שחשיבותם הולכת וגוברת בעידן משבר האקלים בו אנו חיים. מעבר לכך, תמיד נהדר לפתור תעלומות במדע ואנחנו שמחים על התוצאות", מסכמת ד"ר גבע.
יצוין כי מעבדת גלי המים בראשות פרופ' לב שמר משמשת מזה שנים גם לאימות של מודלים מתחומי דעת נוספים בהנדסה ובפיזיקה, בהן מספר תגליות חדשות שפורסמו לאחרונה כגון מיקוד חושך בדומה למיקור קרני אור, וכן מוליך גלים מסוג חדש, שתיהן פרי עבודתו של פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל.
ד"ר מיטל גבע ופרופ' לב שמר
מחקר
10.03.2022
כיצד גוף האדם אורז 2 מטר של DNA בתוך גרעין זעיר שכל גודלו כמה אלפיות המ"מ?
תגלית מדעית חדשה עשויה לפתור את התעלומה ולקדם פיתוח עתידי של טיפולים גנטיים חדשניים לסרטן ולמחלות גנטיות
- רפואה ומדעי החיים
שנים רבות שעולם המדע מנסה ללא הצלחה לפצח את החידה: כיצד גוף האדם מצליח לארוז 2 מטר של DNA בתוך גרעין זעיר שכל גודלו כמה אלפיות המ"מ. כעת מחקר פורץ דרך של חוקרים מאוניברסיטת תל אביב עשוי לקדם את המדע בצורה משמעותית לקראת פתרון התעלומה.
מממצאי המחקר שפורסם בכתב העת היוקרתי Molecular Cell עולה כי אבני בניין (בסיסים/נוקלאוטידים) מסוגים שונים בשרשרת ה-ד.נ.א מסתדרים באופן מדורג בתוך הגרעין – מהפריפריה אל המרכז, ובכך אזורים בעלי ריכוז גבוה של אבני בניין מסוג אחד נמצאים בפריפריה של הגרעין, וככול שמתקדמים למרכז הגרעין תכולת אבני הבניין משתנה באופן הדרגתי לאבני בניין אחרות. מכיוון שהגנים נמצאים לאורך הד.נ.א, אזי האופן המדורג שבו הד.נ.א מסודר בתוך הגרעין מפריד את הגנים לפי תכולת אבני הבניין שלהם וכך למעשה הד.נ.א נארז בתוך הגרעין הזעיר.
התגלית החשובה התבצעה על ידי הדוקטורנטים לונה תמר ואופיר המאירי מהמעבדה של פרופ' גיל אסט מהחוג לגנטיקה מולקולרית של האדם וביוכימיה בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר באוניברסיטת תל אביב. המחקר נערך בשיתוף עם פרופ' רודד שרן מבית הספר למדעי המחשב באוניברסיטת תל אביב וכן חוקרים מאוניברסיטת בר אילן, מפורטוגל, מספרד, ומארה"ב. המאמר נבחר לשער של גיליון מרץ 2022 של כתב העת היוקרתי Molecular Cell.
לדברי פרופ' אסט, "בגופו של כל אחד מאתנו יש טריליוני תאים, ולכל תא יש גרעין שבתוכו ארוז הקוד הגנטי שלנו, רצף של מולקולות ד.נ.א שקיבלנו מהורינו –שאורכו כ-2 מטרים. ה-ד.נ.א מורכב מזיווגים של אבני בניין (בסיסים/נוקליאוטידים) המסומנות באותיות: G עם C ו-A עם T. בכל אזור של הד.נ.א יש חלוקה שונה של צמדי האותיות האלה. הממצאים שלנו מראים שבחלק החיצוני של הגרעין מסתדרים רצפי ד.נ.א אשר עשירים בצמדי הנוקליאוטידים A ו-T, וככל שמתקדמים למרכז הגרעין יש החלפה הדרגתית כך שבמרכז הגרעין שולטים רצפי ד.נ.א בהם יש עושר של צמדי G ו-C. הראינו שארגון זה קיים כמעט בכל התאים בגופנו. כמו כן הראינו שמיקומו של כל גן בגרעין משפיע על האופן שבו הגן מתבטא וכתוצאה מכך על עיבוד ה- ר.נ.א השליח (mRNA ) שנוצר מאותו גן. הבנת האופן שבו מסתדר החומר הגנטי בגרעין מאפשר לנו להעריך כי רצף מולקולות ה-ד.נ.א מתארגן בתוך הגרעין כך שגנים שהתוצרים שלהם מעובדים על ידי מנגנון אחד יהיו במקום שונה בגרעין מגנים אחרים בעלי מנגנון אחר. אנו סבורים שהבנה זו תתרום תרומה משמעותית לפיתוח טיפולים גנטיים למחלות תורשתיות ולסרטן."
גנים מהמרכז וגנים מהפריפריה
פרופ' אסט מסביר שלאורך ה-ד.נ.א פזורים אזורי הפעלה – הלא הם הגנים. שעתוק ה-ד.נ.א למולקולות ר.נ.א שליח המתורגמים לחלבונים המבצעים פעולות שונות בגופנו (כך לדוגמה, החיסון שהוזרק לרובנו נגד וירוס הקורונה מורכב ממולקולות ר.נ.א שליח של הנגיף שמתורגם בגופנו לחלבון הספייק הידוע, זה גרם למערכת החיסון לזהות אותו ולהילחם בו במקרה של הדבקה). המבנה של מולקולת ר.נ.א שליח דומה לרכבת, כאשר כל 'קרון', המכונה אקסון, נושא בתוכו מידע גנטי שונה, ובין 'הקרונות' מחברים כבלים באורך משתנה. ה-ר.נ.א שליח מופעל באמצעות תהליך המכונה שחבור ((splicing, שבו 'הקרונות' נצמדים זה לזה, ואז נגזר הכבל המחבר ביניהם.
במסגרת המחקר, ששילב בין שיטות חישוביות של ביו-אינפורמטיקה לבין ניסויים ביולוגיים 'רטובים', זוהה הבדל משמעותי, בריכוז אבני הבניין, בין גנים הממוקמים במרכז הגרעין לבין גנים שנמצאים בפריפריה. עוד נמצא כי שוני זה גורם גם לשוני באופי המוטציות שמובילות למחלות גנטיות וסרטן ובאופן בו הן משפיעות על מולקולות ה-ר.נ.א שליח: במוטציות שנוצרות בגנים שבפריפריה תהליך השחבור מדלג על 'קרון', ומחבר בין זה שלפניו לזה שאחריו, ולעומת זאת מוטציות בגנים שבמרכז הגרעין גורמות לכך שאחד הכבלים המחברים את 'הקרונות' אינו נגזר. בשני המקרים, ה-ר.נ.א שליח מתורגם לחלבון משובש לחלוטין שאינו מבצע את תפקידו כראוי, ולכן מעורב ביצירת מחלה.
בנוסף סבורים החוקרים שהתגלית עשויה לקדם משמעותית שיטות חדשניות של טיפולים גנטיים-מולקולריים לסרטן ולמחלות גנטיות. התגלית עשויה לייעל ולהאיץ פיתוח של תרופות בטכנולוגיה הקרויה "תרפייה בעזרת מולקולת אנטי-סנס" (antisense therapy שנועדה לתקן מוטציות על ידי חסימת אזורים משובשים בחומר הגנטי בפרט ב-ר.נ.א השליח (mRNA). שיטה זו כבר קצרה הצלחות חשובות, לדוגמה בטיפול במחלה הגנטית SMA שגורמת לניוון שרירים עד כדי שיתוק. כיום תהליך הפיתוח עבור כל מחלה בנפרד הוא ארוך ומורכב, והתגלית החדשה עשויה להאיץ אותו משמעותית.
לשים את "הפלסטר" במיקום הנכון
פרופ' אסט: "הממצאים שלנו תורמים תרומה חשובה להבנת האופן שבו ה-ד.נ.א נארז בגרעין התא, כאשר אזורים עשירים באבני בניין A ו-T ממוקמים בפריפריה, ואילו אלה העשירים ב-C ו-G נמצאים במרכז. אנו סבורים שההפרדה ההדרגתית בין שני סוגי הרצפים בתוך הגרעין נגרמת על ידי תופעות של משיכה ודחייה בין מטענים חשמליים בתוכם, ובמחקרי המשך נעסוק בסוגיה זו.
בנוסף תורמת התגלית שלנו גם לפיתוח עתידי של טיפולים גנטיים חדשניים לסרטן ולמחלות גנטיות. מדובר בשיטה בעלת פוטנציאל עצום, שכבר קצרה הצלחות מעודדות – לדוגמה בטיפול במחלה הגנטית SMA שגורמת לניוון שרירים עד כדי שיתוק. במסגרת השיטה מייצרים מעין 'פלסטר' שחודר לגרעין התא ומתמקם במדויק באתר המשובש ב- .ר.נ.א שליח וכך הוא חוסם את הפעילות המשובשת של הגן, ולמעשה מתקן את המוטציה. עד היום פותחו תרופות מסוג זה בהליך ממושך של 'ניסוי וטעיה' עד שנמצא המקום הנכון ב-ר.נ.א שליח להניח את 'הפלסטר'. הממצאים שלנו מכוונים את מפתחי התרופות להניח כל 'פלסטר' באופן יעיל ומדויק הרבה יותר: במרכז הגרעין נדרשת חסימה של "קרונות", ואילו בפריפריה דרושים 'פלסטרים' שחוסמים את "הכבלים" דווקא. כעת אנחנו ממשיכים לפתח כלים שיאפשרו פיתוח מהיר של 'הפלסטר' הנכון עבור כל מחלה."
מחקר
10.03.2022
טכנולוגיה חדישה עשויה למנוע מחולי לב ניתוחים חוזרים להחלפת מסתם פגום
הטכנולוגיה מתבססת על הנדסה גנטית לביטול סוכרים זרים במסתם ומאפשרת לצמצם את ההסתיידות ולמזער את הבלאי של המסתם
- רפואה ומדעי החיים
חולי לב רבים נאלצים בחלוף עשר שנים מהתקנת המסתם להחליפו בשל הסתיידות שמקורה בשיקוע סידן על רקמת המסתם. מחקר בינלאומי בהובלת חוקרת מאוניברסיטת תל אביב מציע טכנולוגיה חדישה שעשויה לסייע לחולי לב רבים שהותקן בגופם מסתם ביולוגי להימנע כעבור שנים מניתוח מורכב נוסף להחלפתו עקב בלאי. החוקרים הצליחו להראות שבאמצעות הנדסה גנטית של הרכיב הביולוגי במסתם ניתן למנוע את ההסתיידות ובכך לייתר את הצורך בניתוח הנוסף.
הפיתוח הטכנולוגי הוא פרי שיתוף פעולה של מאגד (קונסורציום) אירופי בשם "טרנסלינק" (Translink) שכלל 14 שותפים מאירופה, ארה"ב וקנדה, בהובלת המעבדה של ד"ר ורד פדלר-קרוואני מבית הספר שמוניס למחקר ביו-רפואי וחקר הסרטן באוניברסיטת תל אביב. במסגרת המחקר, החוקרים עקבו אחר דגימות של כ- 1700 חולים למשך תקופה שמכסה טווח רחב מיום לפני הניתוח ועד כ-15 שנה לאחריו.
החוקרים מסבירים כי לחולי לב רבים ישנה האופציה לבחור בין שני סוגי מסתמים לבביים: מסתמים מכניים (מלאכותיים) שמחזיקים זמן ממושך אך מצריכים נטילת תרופות נוגדות קרישה על בסיס יומי ואשר עשויים לגרום לדימומים מסכני חיים, או מסתמים ביולוגיים (שבנויים מרקמות של פרות, חזירים או סוסים) שמאפשרים לחולה לחיות חיים רגילים למדי אך מתכלים כעבור עשור ומצריכים את החלפתם.
לנטרל את הסוכרים הזרים
לדברי ד"ר פדלר-קרוואני, "מאחר שמסתמים ביולוגיים מכילים רקמות של בעלי חיים, ההיפותזה שלנו הייתה שייתכן שיש בהם סוכרים זרים לא הומניים שמהווים גורם שמערכת החיסון האנושית תוקפת, ולכן נוצרת ההסתיידות המובילה לקלקול השסתום. ואכן, במחקר שמתפרסם כעת הצלחנו להוכיח שזו הסיבה, ואף הצענו פתרון ישים. גילינו שבכל החולים שהושתל בגופם מסתם ביולוגי, מתפתחת תגובה חיסונית כנגד הסוכרים הזרים במסתם כבר מהחודש הראשון לאחר הניתוח. את העלייה הזו בנוגדנים ראינו באופן מובהק רק בחולים שהושתלו בהם מסתמים ביולוגיים. הסתבר ששני הסוכרים החשודים כמאיצי נוגדנים, הם אכן כאלה בבני אדם, וחלק מהחולים החלו לפתח הסתיידות כבר אחרי שנתיים מיום הניתוח".
אנו פול, פוסט-דוקטורנטית במעבדה, הראתה כי הסוכרים הזרים וכן הנוגדנים התוקפים אותם נמצאו גם על מסתמים ביולוגיים שהוצאו מחולים כ-10 שנים לאחר הניתוח הראשון לצורך החלפתם בשל ההסתיידות. בנוסף, גם על מסתמים אנושיים מקוריים שעברו הסתיידות, נמצא הסוכר הלא אנושי (Neu5Gc) וכן הנוגדנים כנגדו. מאחר שהסוכר הזה לא יכול להיות מיוצר בגוף האדם, הוא כנראה מצטבר על המסתמים כתוצאה מדיאטה עשירה בבשר אדום ומוצרי חלב שבה הוא נפוץ. יתכן, שתגובה חיסונית זו כנגד הסוכר מהדיאטה המצטבר בשסתום מהווה את הגורם הראשוני להסתיידות המסתם המקורי בלב החולים. החוקרים הראו גם בחיות מודל שבנוכחות נוגדנים כנגד הסוכרים נוצרה הסתיידות ברקמות שמהן מייצרים את המסתם הביולוגי, ואילו בהיעדר או ברמה נמוכה של נוגדנים לא נוצרה ההסתיידות.
בהמשך לכך, נבחנה האפשרות להסתייע בהנדסה גנטית לפתרון הבעיה. לשם כך, המאגד יצר חיות מודל מהונדסות גנטית כך שלא יבטאו את הסוכרים הזרים לאדם. במעבדה של ד"ר פדלר-קרוואני החוקרים מצאו בחיות מודל כי שימוש ברקמות מהונדסות ללא הסוכרים הזרים מפחית את ההסתיידות בצורה משמעותית, גם בנוכחות נוגדנים כנגד הסוכרים, ולכן עשוי להגדיל את העמידות של מסתמי הלב בקרב חולים.
"מחקר זה מסמן כיוונים חדשים לפריצת דרך בתחום המסתמים והבנת המנגנונים המובילים לשחיקתם, והמסקנות מהמחקר יכולות להוביל לשיפור איכות חייהם של חולי לב רבים. מכאן אפשר גם להמשיך לחקור האם לצמחוניים או לאנשים שאוכלים רק מעט בשר וגבינות יש סיכוי נמוך יותר להסתיידות של מסתמי הלב, והאם זה עלול להיות מתווך על ידי רמה נמוכה של הנוגדנים כנגד הסוכרים הזרים. בעתיד אולי אף יהיה ניתן לחשוב על דיאטה מותאמת להפחתת הסיכון, או ממש לייצר מסתמים ביולוגיים מרקמות של החיות המהונדסות בהם אין את הסוכרים כלל", סיכמה ד"ר פדלר-קרוואני.
חברים נוספים בצוות הנהלת המאגד טרנסלינק הם רפאל מאנז, ז׳אן-כריסטיאן רוסל, ז׳אן-פול סולילו, ואמנואל קוצי (הקואורדינטור). תומס סנאז׳ ותיירי לה-טורנו מצרפת הובילו את הזרוע הקלינית של המחקר. במעבדה של ד"ר פדלר-קרוואני הובילה את המחקר אנו פול (כיום מתמחה באוניברסיטת הרווארד) יחד עם סלאם בשיר, ובסיועם של חוקרים וסטודנטים נוספים: שני לוויתן-בן-אריה, ליאנה גובאני, שרון יהודה, שירלי בכר אברמוביץ׳, רון אמון, אלירן משה ראובן ויפית עטיה-נסאגי.
מחקר
10.03.2022
רבות הדרכים
חוקרי מוח גילו כי אופן הניסוי קובע במידה רבה את תוצאותיו
- מוח
- חברה
בעולם המדע ישנן כיום ארבע תאוריות מובילות וסותרות שעוסקות בחקר המודעות והקשר לפעילות המוחית. איך זה יכול להיות? מפני שכל אחד עושה דברים אחרת, וכשמדובר במחקר, בחירת דרך הפעולה יכולה להשפיע על תוצאותיו. חוקרות וחוקרים מאוניברסיטת תל אביב בחנו מחדש באמצעות בינה מלאכותית 412 ניסויים קודמים בנושא הקשר בין הפעילות המוחית לחוויה מודעת, שתוצאותיהם בעבר היו סותרות. הם מצאו כי הבחירות המתודולוגיות קבעו למעשה את תוצאת הניסוי, עד כדי כך שהאלגוריתם אפשר להם לנבא בהצלחה של 80% באיזו תיאוריה יתמוך איזה ניסוי.
הפרמטרים של הניסוי קובעים את תוצאותיו
המחקר המפתיע נערך בהובלת פרופ' ליעד מודריק ואיתי ירון מבית הספר למדעי הפסיכולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח, בשיתוף עם פרופ' לוסיה מלוני ממכון מקס פלאנק שבגרמניה ופרופ' מייקל פיטס ממכללת ריד שבארה"ב. המחקר התפרסם בכתב העת Human Behavior מבית Nature.
"השאלה הגדולה היא איך מודעות נולדת מתוך פעילות מוחית, או מה מבחין בין עיבוד מודע לבין עיבוד לא-מודע", מסבירה פרופ' מודריק. "למשל, אם אני רואה ורד אדום, מערכת הראייה שלי מעבדת את המידע ומדווחת שלפניי גירוי בצבע אדום. אבל מה מאפשר לי, בניגוד למחשב למשל, גם לחוות את הצבע הזה? לדעת איך הוא מרגיש? בשנים האחרונות הוצעו מספר תיאוריות בתחום מדעי המוח שמנסות להסביר איך חוויה מודעת נולדת מתוך פעילות מוחית. ועל אף שהתיאוריות סותרות זו את זו, כל אחת מהן הצליחה לגייס ראיות אמפיריות לצדקתה בעזרת ניסויים שנערכו. אנחנו בחנו מחדש את כל הניסויים האלה והראינו שהפרמטרים של הניסוי קובעים למעשה את תוצאותיו. במילים אחרות, הבינה המלאכותית שבה השתמשנו ידעה לנבא בשיעור הצלחה של 80% באיזו תיאוריה יתמוך הניסוי, אך ורק על סמך הבחירות המתודולוגיות של החוקרים".
מארבע יוצאת אחת?
יש כיום ארבע תיאוריות מובילות בחקר המודעות והן סותרות זו את זו.
- תיאוריית ה-global neuronal workspace גורסת כי ישנה רשת נוירונים מרכזית, וכאשר מידע נכנס אליה, היא משדרת אותו על פני המוח והוא הופך למודע
- תיאוריית ה-high order thought טוענת כי מדובר באזור ספציפי במוח שמצביע על אזורים אחרים, ומסמן את התוכן הזה כמודע
- תיאוריה שלישית בשם recurring processing theory רואה במודעות סוג של היזון-חוזר, כלומר מידע המעובד פעם נוספת באזורי החישה עצמם
- ואילו התיאוריה הרביעית – integrated information theory – מגדירה את המודעות ככמות המידע המאוחד שיש במוח, וטוענת שאזורים אחוריים אחראיים ליצירת החוויה המודעת
"כל אחת מהתיאוריות הללו מציגה ניסויים משכנעים, ובכל זאת החוקרים לא מצליחים ליישב ביניהן", אומרת פרופ' מודריק. "הדוקטורנט איתי ירון ביצע ניתוח מעמיק של כל 412 הניסויים שנועדו לבדוק את ארבע התיאוריות המובילות ומצא שהתיאוריות פשוט לא נבנו באותו האופן".
"למשל, חלק מהניסויים התמקדו במצבים שבהם המודעות משתנה, כמו תרדמת או חלום, ואחרים חקרו שינויים במצבי תודעה של נבדקים בריאים. בחלק מהניסויים נבדקו מדדים של קישוריות, ובאחרים לא. החוקרים בעצם מקבלים שורה של החלטות כשהם בונים את הניסוי שלהם, ואנחנו הראינו שההחלטות האלה לבדן, מבלי שהתוצאות של הניסויים אפילו ידועות, כבר מנבאות איזו תיאוריה תיתמך על ידי התוצאות הללו. כלומר, התיאוריות הללו נבחנו בצורה שונה, על אף שהן מנסות להסביר את אותה התופעה".
"ממצא נוסף הוא שרובם המכריע של הניסויים שניתחנו תמכו באחת התיאוריות, ולא שללו אותה. כלומר, נראה שיש לנו הטיה מובנית לאשר תיאוריות ולא להפריך אותן, זאת על אף שפילוסוף המדע קרל פופר אמר שהמדע מתקדם על ידי הפרכת תיאוריות, ולא על ידי אישורן", מוסיפה פרופ' מודריק.
"מעבר לזה, כשמחברים יחד את כל הממצאים שדווחו בניסוייים האלה, נראה כאילו כמעט כל המוח מעורב ביצירת החוויה המודעת, מה שלא תואם אף אחת מהתיאוריות. במילים אחרות, נראה כי התמונה האמתית מורכבת ומלאה יותר מכל אחת מהתיאוריות הקיימות. כפי הנראה כולן שגויות, והאמת נמצאת אי שם באמצע", היא מסכמת.
פרופ' ליעד מודריק
מחקר
07.03.2022
מחקר חדש חושף את שיטות האספנות והמיחזור לפני חצי מיליון שנה
יצר האספנות בעולם הפרהיסטורי: הרצון לשמר את הקשר והזיכרון עם אבותיהם הקדומים
- רוח
למי אין אוסף כלשהו בבית? אחד כזה שמעורר בנו רגשות נוסטלגיים ומייצר חדווה אינסופית בכל פעם שנמצא פריט חדש שמעשיר אותו? יצר האספנות הוא אחד מהיצרים המאפיינים את בני האדם, ומסתבר שהוא מלווה אותנו משחר האנושות. מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב בחן לראשונה את יצר האספנות בעולם הפרהיסטורי ומה גרם לבני האדם הקדמונים למחזר כלים בעלי שני מחזורי חיים. כלומר כלים שיוצרו בזמן קדום מסוים, יצאו משימוש וננטשו, ושנים רבות לאחר מכן נאספו ועובדו מחדש על ידי בני אדם מתקופה מאוחרת יותר. החוקרים בחנו כלי צור משכבה בת כחצי מיליון שנה באתר רבדים שבדרום שפלת החוף ומציעים כי יצר האספנות בעולם הקדום נבע בראש ובראשונה מהיבטים רגשיים והרצון לשמר את הקשר והזיכרון עם אבותיהם הקדומים.
המחקר נערך בהובלת הדוקטורנטית בר אפרתי ופרופ' רן ברקאי מהחוג לארכיאולוגיה ולתרבויות המזרח הקדום בפקולטה למדעי הרוח באוניברסיטת תל אביב, בשיתוף החוקרות ד"ר פלביה ונדיטי מאוניברסיטת טובינגן בגרמניה ופרופ' סטלה נונציאנטה צזארו מאוניברסיטת לה ספיאנצה באיטליה. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Scientific Reports מבית Nature.
וינטג' פרהיסטורי
הדוקטורנטית בר אפרתי מסבירה כי הימצאותם של כלים בעלי שני מחזורי חיים היא תופעה מוכרת באתרים פרהיסטוריים בכל העולם, אך לדבריה, תופעה זו מעולם לא נחקרה לעומקה. במסגרת המחקר, החוקרים התמקדו בשכבה אחת מהאתר רבדים שבדרום מישור החוף - אתר פרהיסטורי פתוח ורב-שכבתי בן כחצי מיליון שנה המשתרע על פני שטח נרחב. על פי מגוון ועושר הממצאים, החוקרים מעריכים שהיה זה מיקום מועדף בנוף שהאדם הקדום חזר אליו שוב ושוב בזכות שפע בעלי החיים, ביניהם פילים, שחיו בסביבה. כמו כן, באזור יש הרבה אבני צור גולמיות באיכות טובה, ואכן מרבית הכלים שנמצאו ברבדים יוצרו מצור טרי.
בר אפרתי: "השאלה הגדולה ששאלנו את עצמנו היא מדוע הם עשו זאת. מה גרם לבני אדם קדומים לאסוף ולעבד מחדש כלים שקודמיהם ייצרו והותירו בשטח שנים רבות קודם לכן. באתר רבדים ברור שהדבר לא נבע ממחסור בחומר גלם, שכן אבני צור מצויות באזור בשפע, ומרבית הכלים יוצרו מצור טרי. כמו כן הכלים שמוחזרו אינם ייחודיים או מתאימים במיוחד לשימוש מסוים, כך שלא נראה שיש לנוהג הסבר פונקציונלי בלבד".
צלקות בחומר חושפות את העבר
החוקרים מסבירים כי המפתח לזיהוי הכלים שעברו מיחזור ולהבנת ההיסטוריה שלהם היא הפטינה – שכבת בליה כימית שנוצרת על פני אבן צור כשהיא מונחת תחת כיפת השמים לאורך תקופה ארוכה, חשופה לשמש ולגשם, לחום ולקור. כך, לאחר שהאדם שייצר את הכלי נטש אותו, נוצרה עליו שכבת פטינה שקל לזהותה, והיא נבדלת בצבעה ובמרקמה באופן מובהק מצלקות שחושפות את הצור הטרי המקורי.
לאורך המחקר, החוקרים בחנו 49 כלים בעלי שני מחזורי חיים, כלים שניכר כי עוצבו לצורך שימוש בשלב הראשון והמקורי, ננטשו וכוסו בפטינה, וזמן רב לאחר מכן נאספו ועוצבו מחדש, כפי הנראה גם כן לצורך שימוש. העיצוב בשלב החיים השני הסיר את הפטינה וחשף את הצור הטרי מתחת לפטינה. לכל כלי, היו אם כן, שני קצוות פעילים שעוצבו לצורך שימוש. שני הקצוות הפעילים של כל כלי, הישן והחדש, נבדקו תחת שני סוגי מיקרוסקופים ובאמצעות שיטות כימיות, במטרה לאתר סימני שימוש ו/או שיירים אורגניים. ב-28 מהכלים נמצאו סימני שימוש על הקצוות הישנים ו/או החדשים, וב-13 כלים נמצאו על הקצוות החדשים שיירים אורגניים המעידים שהם באו במגע עם עצמות ושומן של בעלי חיים.
בנוסף, החוקרים הופתעו לגלות שבתקופות השונות שימשו הכלים לפעולות שונות מאוד: בעוד שהקצוות הישנים מעידים בעיקר על פעולת חיתוך, הקצוות החדשים מעידים דווקא על קרצוף (עיבוד חומרים רכים כמו עור ועצם). ממצא מרתק נוסף: אופי העיצוב של הכלי במחזור החיים השני היה מדויק ומינימלי, בקצה בלבד, כך שהכלי השתמר ברובו כפי שהיה כשיוצר לראשונה, עם הפטינה שכיסתה אותו, למעט הקצה הפעיל החדש המעוצב.
חפצים ממוחזרים למזכרת
"מממצאי המחקר אנו מעריכים כי תופעת המחזור בעולם הפרהיסטורי נובעת מהמשמעות שייחסו בני האדם לפריטים שיוצרו על ידי קודמיהם," אומר פרופ' רן ברקאי. "ניתן לדמיין אדם קדום שהלך בשטח לפני חצי מיליון שנה, וכלי אבן ישן צד את עינו, מונח על הקרקע 'כאבן שאין לה הופכין'. לפריט יש עבורו משמעות - זכר אבותיו שייצרו את הכלי או קשר למקום מסוים, והוא מרים אותו, הופך אותו בידיו, ומחליט לקחת אותו 'הביתה'. מאוחר יותר הוא מתבונן שוב בכלי, ממשש אותו ושמח בו, ומבין שאם ישתמש בו באופן יומיומי הקשר והזיכרון יישמרו ואף יתחזקו.
עם זאת, לאות כבוד ליצרן הראשון ולדורות הקודמים, ולצורך שימור הזיכרון שהפריט ממחיש, הוא מסתפק בעיבוד הקצה ומותיר את גוף הכלי כפי שהיה. למה הדבר דומה? אולי לחקלאי צעיר וחרוץ שעדיין חורש את השדה בטקרטור הישן שהיה של סבא-רבא שלו. הטרקטור חלוד, וחורק, אבל מכיר היטב כל תלם בשדה. החקלאי הצעיר מחליף פנס כאן או גומיה שם, אבל מקפיד לא לשנות את הטרקטור הישן והטוב ורואה בו המשכיות חשובה למסורת המשפחתית הארוכה וחלק משמעותי מהחיבור שלו אל הקרקע. למעשה, ככל שאנו מוסיפים לחקור את בני האדם הקדמונים אנו לומדים להעריך יותר אותם ואת תבונתם ויכולותיהם. יתרה מכך, אנחנו מגלים שוב ושוב שהם לא היו שונים כל כך מאיתנו. מהמחקר הנוכחי ניתן אולי להסיק כי יצר האספנות המקנן ברבים מאיתנו עתיק כימי האנושות, וכי כמונו אנו, אבותינו הקדמונים ייחסו חשיבות ומשמעות רבה לחפצים ישנים ושימרו אותם לאות זיכרון וקשר עם עולמות קדומים ועם מקומות חשובים בנוף."
