מדען אורח פרופ' שי שהם

גלי קול המעוררים נוירונים וגורמים לאנשים לחוש מגע בידם, הם רק קצה הקרחון של פוטנציאל הפעלה מדויקת של המוח. השלב הבא הוא לעשות זאת באמצעות הקרנת הולוגרמות לתוכו.
X זמן קריאה משוער: 6 דקות

מהי, לדעתך, פריצת הדרך המשמעותית או המסקרנת ביותר שנעשתה בתחום המחקר שלך בשנים האחרונות?

פריצת הדרך המשמעותית ביותר, שהתרחשה ממש בעשור האחרון, היא הופעתן כמעט בצמידות של שלוש טכנולוגיות המאפשרות לראשונה שימוש בגלי אור וגלי קול כדי להפעיל תאי עצב ישירות. חוד החנית של יישום השיטות מתרחש ממש בימים אלה. למשל, בכנס בו נכחתי בקוריאה לפני שלושה שבועות, אחד המחקרים שהוצגו דיווחו על שימוש ראשון באולטרסאונד כדי לעורר פעילות במוחות אנושיים. כלומר, באמצעות גלי קול גרמו לנבדקי המחקר, אנשים בריאים לחלוטין, לחוש תחושות של מגע בידיהם וזאת באופן בלתי פולשני, בניגוד לשימוש באלקטרודות למשל.

השימוש באולטרסאונד לעירור נוירונים במוח, בשיטה הנקראת Ultrasound Neuro-modulation, הוא אחד משלושת הכלים המהווים לטעמי את פריצת הדרך. שיטה נוספת, היא INS (Infra-red Neural Stimulation), העושה שימוש בחימום מהיר מאוד של רקמת התאים וכך מעוררת את פעולתם. והשיטה השלישית היא האופטוגנטיקה, עליו סיפרה במדורכם עמיתתי אסיה רולס. אופטוגנטיקה אפשרית הודות לווירוס, שאנו משתילים בנוירונים ספציפיים, המשנֶה את המבנה הגנטי שלהם וגורם להם לייצר חלבון מיוחד (אופסין). החלבון משנה את תצורתו כשפוגעים בו קרני אור וכך ניתן להפעיל תאי-עצב באמצעות אור – על ידי סיבים אופטיים למשל.

הסיבה ששלושת אלה יחד מהווים לדעתי פריצת דרך אדירה, היא משום שהם משלימים זה את זה ביתרונותיהם וחסרונותיהם. היתרון של INS, למשל, הוא שאין צורך להשתיל גנים באמצעות וירוס והחיסרון, שהוא פחות סלקטיבי בהשוואה לאופטוגנטיקה. גם השימוש באולטרסאונד פחות ספציפי מהאופטוגנטיקה אך מצד שני, זו שיטה שאינה פולשנית כלל, יחסית לשתיים האחרות המצריכות שימוש בסיבים אופטיים כדי להגיע למקום הרצוי.
לכאורה, כלל לא היינו צריכים להמתין עד שנות ה- 2000 כדי לפתח אמצעים אלה, כי לפחות חלק מהכלים והעקרונות היו ידועים כבר משנות החמישים. אך באופן מעניין, רק בשנים האחרונות הצליחו להרים את הכפפה ושלושת הכלים פותחו כמעט במקביל. ניסויים רבים נערכו כבר על בעלי חיים ועתה, כאמור, בתפנית היסטורית נוספת, מתחילים לבדוק גם בבני אדם.

מהם המחקרים שמעסיקים אותך בתקופה זו?

מה שעולה מסט הכלים שתיארתי קודם, הוא שניתן להקרין לתוך המוח תמונה של אור או קול, אשר תפעיל בו אזור מסוים, החל מקליפת המוח ועד עמקו. שלב נוסף במימוש הפוטנציאל הטמון בפריצת דרך זו, הינו הקרנת רצף מדויק של תמונות תלת ממדיות על טווח של זמן, כדי לייצר הפעלה מורכבת יותר ודינמית של אזורים שונים במוח, ברמת התא הבודד. לכן אפשר להגיד, במובן מסוים, שאני עוסק בהקרנת סרטים. כחולים בדרך כלל, אם להיות ספציפיים, משום שבניסויים אופייניים רבים באופטוגנטיקה הרכיב הכחול של האור הוא זה שעל פי רוב מפעיל את תעלות החלבונים בתאי העצב. המעבדה שלנו מתמחה בפיתוח מערכות המקרינות סדרות של הולוגרמות שמפעילות תאי מוח לפי דפוסים ותזמונים רצויים. המשמעויות המעשיות של כל זה, הן כמובן לא שליטה בתנועותיו או מחשבותיו של אדם, כפי שמפתה אולי לדמיין, אלא ריפוי רשתות עצביות שניזוקו וטיפול במחלות נוירולוגיות כמו פרקינסון או דיכאון.

עם זאת, רוב העבודות שלנו עד כה לא עסקו במוח אלא ברשתית העין. ב- 2012 החלו לצאת מוצרים המאפשרים לעיוורים לראות באמצעות שבבים מושתלים המגרים חשמלית את תאי העצב בעין. אך התוצאה המתקבלת היא תמונה מאוד מופשטת של אור וצל ולמעשה רחוקה מלהיות ראיה ממש. קבוצת המחקר שלנו היתה הראשונה בעולם להציע את השימוש בשילוב האופטוגנטיקה וההולוגרפיה, כאסטרטגיה חליפית שתאפשר, לפחות בעיקרון, שחזור ראיה ברזולוציה גבוהה מאוד. במקביל, המצאנו גם פתרון אחר, אותו אנו מפתחים כיום, המתבסס על גירוי התאים באולטראסאונד.

תפקידם של הקולטנים ברשתית הוא להמיר אור לאותות חשמליים, להעבירם לרשת תאי-עצב ומשם הלאה למוח. אנחנו עוקפים את הקולטנים ומפעילים רשתית עיוורת על ידי הקרנה ישירות על תאי העצב. בגישה האופטוגנטית, משתילים בתאי-העצב גנים שגורמים להם לבטא את החלבונים קולטי האור. בכך, התאים שלא מקבלים אותות מהקולטנים הופכים בעצמם לקולטנים. הם אמנם לא יודעים לעבד תמונה מאור שמש כמו הקולטנים המקוריים של העין, אך בפיתוח עתידי, משקפיים חכמים יצלמו את המציאות, יעבדו את התמונה ויקרינו וידאו מעובד לתוך הרשתית. בשיטת האולטרסאונד, תמונת הווידאו המשודרת לתאי העצב נוצרת למעשה באמצעות גלי קול.

כיצד אתה רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

נראה שחקר המוח הוא אחד התחומים המדעיים הכי "חמים" כיום, ובייחוד ההיבטים הטכנולוגיים שלו. אחת העדויות הפשוטות לכך,היא כמות הכסף שמוזרם לתחום המחקר הזה בעולם. פרוייקט BRAIN, עליו הכריז לאחרונה אובמה, שנועד לפתח טכנולוגיות שיתממשקו למערכת העצבים; המכון לחקר המוח של פול אלן, הממפה את מערכת העצבים; פרויקט המוח האנושי של האיחוד האירופי ליצירת סימולציה ממוחשבת לרשת הנוירונים במוח- אלה הם כמה דוגמאות ל"מרוץ לחלל" של ימינו. לכן אפשר לצפות כי ההישגים שצפויים מכל המאמץ האדיר הזה יהיו מרשימים מאוד, עם השלכות בשלושה מישורים. במישור הראשון, המחקר המדעי הבסיסי, נוכל ממש "לראות" את המוח בפעולה ברמת המאקרו, כמכלול, ובו זמנית ברמת המיקרו, עד לנוירון הבודד. רמת הניטור תהיה כל כך מדויקת, שנוכל להבין דברים שקשה לחזות כיום.

גם במישור הרפואי עדיין לא ברור לגמרי מה הולכות להיות פריצות הדרך הבאות, שכן אנחנו רק עכשיו מגלים את קצה הקרחון של יישום הטכנולוגיות. אבל בגדול, אחד הכיוונים המעניינים הוא ריפוי בשיטות לא פולשניות. חברת BrainsWay, למשל, משתמשת בגירוי מגנטי כדי לטפל בהתמכרויות ובבעיות רבות אחרות. היישום עדיין בחיתוליו, אבל אין ספק ששיטות כאלה ואחרות יתפתחו מאוד.
והמישור השלישי, הוא תגבור טכנולוגי ביוֹני של היכולת האנושית הבסיסית. התרבות הפופולארית מספקת שפע של יישומים דמיוניים, אבל ראוי לזכור כי כבר כיום ישנם ניסויים מוצלחים בהעצמת מדדים קוגניטיביים שונים על ידי חשמל, כמו שיפור הזיכרון, קיצור זמן תגובה, ויעילות למידה.

מהו בעיניך הסבר אלגנטי ביותר לתופעה כלשהי?

בניגוד לאופטוגנטיקה, האופן בו פועלות שתי השיטות האחרות שתיארתי, נותר חידה. מדוע חום בשיטת ה- INS או גלי קול בשיטת האולטרסאונד מצליחים לעורר את תאי העצב במוח? בשנים האחרונות המדע מנצל תופעות אלה בלי ממש להבינן. אך לאחרונה, בין היתר בעזרת רעיונות שפותחו ביחד עם עמיתי למחקר, התחלנו להבין שהפתרון כנראה נעוץ במהירות העצומה בה הטמפרטורה או גלי הקול משתנים. עד היום, כשחקרו במעבדה את התגובה של נוירונים לתנאי סביבה משתנים, עשו זאת באופן איטי יחסית, בהדרגה. אבל מסתבר כי שינויי טמפרטורה או לחץ המתרחשים תוך פחות מאלפית שניה בסביבת תא-עצב, גורמים לתגובה ביו-פיזיקלית מורכבת המעוררת בקרום התא פעילות חשמלית.

ההסבר להשפעת האולטראסאונד למשל טרם פורסם (רק לאחרונה הגשנו למשל מאמר בנושא) ועדיין דרושות בדיקות אמפיריות כדי לבחון אותו, אך בעיני זו היפותזה אלגנטית בשל הפשטות בה היא מסבירה מהלך יחסית מורכב.

לגבי מה אתה אופטימי?

אני חושב שיש פתרונות רפואיים באופק הנראה לעין, שנותנים לנו סיבות רבות להיות אופטימיים. כאמור, ניתן יהיה, למשל, לאפשר לחלק גדול מהעיוורים לראות, ואולי לספק טיפולים למחלות פסיכיאטריות שיהיו הרבה יותר אפקטיביים מטיפולים תרופתיים שהם, בהכללה, די מוגבלים ובעייתיים כיום.

המפתח לפתרונות רבים טמון ביכולות לתקשר ישירות עם מערכת העצבים ולשקמה, באמצעות פיתוחים שהם על התפר בין הנדסה, פיסיקה וביולוגיה.
אך כיוון שקצב הפיתוח מהיר מאוד, אני חושב שיש לנקוט באופטימיות זהירה ולחשוב גם על ההשלכות הנלוות של ההתפתחות הזו. למשל, מזה כמה עשורים מדברים על המושג "סינגולריות טכנולוגית", כלומר על האפשרות שנגיע לנקודת אל-חזור בה הטכנולוגיה שנפתח תצא משליטתנו ותגבר על יכולותינו הפיסיות והאינטלקטואליות. הדיון הפילוסופי הזה, שחלחל גם לתרבות הפופולארית, מתמקד בכמה ערוצים אפשריים: מסלול התפתחות בו מחשבים ורובוטים בעלי אינטליגנציה מלאכותית יתעלו על האדם שפיתח אותם, ועוד שני מסלולי התפתחות נוספים שיהיו אחראיים על היווצרות זן חדש של אדם ולמעשה על פיצול חד מהמסלול האבולוציוני הנורמטיבי: מסלול אחד הוא התפתחות ההנדסה הגנטית והשני הוא התפתחות ממשק אדם-מכונה. האופטימיות הזהירה שלי נובעת אולי מהתחושה שמתוך שלוש האפשרויות הללו, נראה לי כי רק האחרונה עשויה להיות חיובית. כמובן שגם היא טומנת בחובה סיכונים (כמו אי שוויון- סיכון הקיים בכל סוג של צבירת כוח), אך היא היחידה שבה תישאר בידינו בקרה מסוימת תוך הישענות על הבסיס הביולוגי המוצק שלנו להתנהגות כפרטים וכחברה, בסיס שהתפתח בתהליך אבולוציוני ארוך ומטהר.

מחשבה זו התפרסמה באלכסון ב


תגובות פייסבוק

> הוספת תגובה

5 תגובות על פרופ' שי שהם

02
בר חיון

למיטב הבנתי כמה ניסויים בשנים האחרונות על מכרסמים הגיעו לתוצאות מעניינות. בעברית אין על זה כל כך חומר אבל באנגלית אתה יכול לקרוא למשל כאן:
http://www.wired.com/wiredscience/2010/11/optogenetics-relieves-depression-in-a-mouse-trial/

או כאן:
http://www.bioopticsworld.com/articles/2012/12/optogenetics-instantly-triggers-or-reverses-depression-like-states-in-rodents.html