Home / Sections / Features / A Wise Future For Neuroscience He

עתיד חכם למדעי המוח

הודות לפרויקט הדגל של מכון ויצמן נהיה חכמים יותר לגבי המוח האנושי

english

כתבות

25 אפריל, 2020

מדעי המוח נמצאים בצומת קריטי, כאשר פריצות דרך מגיעות בקצב מהיר. בעשור האחרון בלבד, טכניקות וכלי הדמיה חדשים המאפשרים למדענים לראות, לעורר ולתעד פעילות מוחית, פתחו את הדלת למחקרים שבעבר לא נראו אפשריים. ידע רב בתחום הגנומיקה הוביל לחקר הפרעות פסיכיאטריות ואחרות במוח. קשרים בין המוח ומערכת החיסון הובילו לדרכי חשיבה חדשות אודות מחלות כמו אלצהיימר, והמוח הוכיח את עצמו כעמיד יותר מכפי שאי פעם חשבנו שאפשרי.   

עם זאת, תעלומות יסוד רבות נותרו עדיין עלומות. כיצד התודעה וההכרה נובעות מרשתות עצביות מורכבות במוח? כיצד המוח מפענח גירויים חיצוניים כמו ראייה, שמיעה וריחות? כיצד אנו לומדים? כיצד המוח מתמודד עם דחק רגשי וטראומה? מדוע תפקוד המוח יורד עם הגיל ואילו נסיבות עומדות בבסיס מחלות נפש, פציעות והתנוונות עצבית?

באופן פרדוקסלי, ההתקדמות הטכנולוגית והשאלות הנוקבות הללו נושקות לעקביהן של חברות התרופות הגדולות שמצאו כי יחס הסיכון/תגמול במדעי המוח גבוה מדי ושיעור ההצלחה של התרופות הנוירולוגיות נמוך מדי. השגת המומנטום המדעי הנחוץ כדי לספק פתרונות מהירים דורשת שותפויות רב-תחומיות חדשות המשלבות מצוינות בתחום הנוירוביולוגיה עם תובנות מתחומים אחרים, כגון כימיה, פיסיקה, פסיכולוגיה, מדעי המחשב והנדסה.  

בכדי לנצל את ההתפתחויות האחרונות ולהעלות את מחקר מדעי המוח לרמה הבאה, מכון ויצמן למדע משיק פרויקט דגל בשווי 200 מיליון דולר - המכון לחקר מדעי המוח. פרויקט זה יקרום ער וגידים באמצעות הקמת מבנה חדיש שישמש בית ליותר מ 40 קבוצות בעלות שם עולמי הבוחנות באופן פעיל נושאים רלבנטיים לחקר מדעי המוח – כולל מדענים ממגוון תחומים העובדים מעבר לגבולות ארכיטיפים של מדעי החיים. המבנה יאכלס גם מגוון טכנולוגיות חדשניות שיאפשרו למדענים לחקור את המוח בדרכים חדשות לחלוטין.

המכון לחקר מדעי המוח יורכב משמונה מרכזי מחקר משולבים ומרכז נוסף לפיתוח טכנולוגיה חדשה.

הסינרגיה שתיווצר עם פעילותו תסייע למכון ויצמן למנף את הגבולות החדשים בין המחלקות, את היותו מוסד קטן יחסית ואת התרבות הבלתי פורמלית, המאפשרים בחופשיות אינטראקציות ושיתופי פעולה. וכמובן, את המדע המבריק שלו.

 

תמונת בזק של הצלחה

התוצאות מדברות בעד עצמן. בגיליון דצמבר 2019 של Nature Neuroscience – כתב העת המשפיע ביותר בתחום – הופיע מספר שיא של מאמרים מאותו מוסד אקדמי, שלושה מאמרים ממכון ויצמן למדע. בגיליון זה, פרופ' אלון חן זיהה ארבעה טמפרמנטים מובהקים בקרב עכברים  - בהשוואה למאפייני אישיות בבני אדם – וקישר אותם לפרופילים גנטיים ספציפיים, צעד משמעותי שעשוי לאפשר למדענים לחקור יותר לעומק את בריאות ומחלות הנפש בקרב בני אדם.  פרופ' רוני פז חשף כיצד למידה וזיכרון רגשיים מיוצגים במוח, והראה כיצד רצפים של פעילות נוירונים באמיגדלה משמשים כמנגנון קידוד. פרופ' עפר יזהר השתמש באופטוגנטיקה מתקדמת כדי לעקוב אחר הדינמיקה של האופן בו המוח מקודד רמזים לתחושה חברתית, הרלבנטית לאוטיזם. 

באוקטובר האחרון, פרופ' רפאל מלאך ופרופ' מיכל אירני משכו את תשומת הלב של קהילות מדעי המוח הקוגניטיביים והמערכתיים עם מחקר הדמיית מוח שחשף את חשיבותה של גאומטריית הפנים באופן בו אנו תופסים פנים אנושיות. מוקדם יותר באותה שנה, פרופ' מלאך חשף מנגנון עצבי מרכזי לזכירה חופשית אצל בני אדם – אדוות מהירות של פעילות ברחבי ההיפוקמפוס במוח. המחקר התפרסם בכתב העת Science.

ההישגים ממשיכים. פרופ' מיכל שוורץ, חלוצת תורת 'האוטואימוניות המגנה', מייחסת תפקיד מהפכני למערכת החיסון בתמיכתה בתפקוד קוגניטיבי, יציבות מנטלית, חידוש ותיקון תאי גזע ובמאבק במחלות ניווניות כמו אלצהיימר. מחקרים של פרופ' נחום אולנובסקי וד"ר יניב זיו העלו ממצאים מרכזיים בנושא 'תאי מקום' – תאי המוח לניווט חברתי, להם יש השלכות חשובות להבנת אלצהיימר, זיכרון ודמנציה. הגילוי הראשוני של תאים אלו זיכה בפרס נובל לשנת 2014 לפיזיולוגיה או רפואה.

פרופ' שמעון אולמן, חתן פרס ישראל לשנת 2015, פועל לצמצום הפער בין יכולות ההכרה החזותית של בני האדם לבין מערכות הבינה המלאכותית שהם בונים. פרופ' נועם סובל השתמש במערכת עוצמתית לדימות תהודה מגנטית כדי להראות שחוש הריח יכול להתקיים גם ללא פקעת ההרחה.

האצת מחקר רב-תחומי

המכון לחקר מדעי המוח יאיץ מחקר רב-תחומי באמצעות איסוף הידע, המומחיות והתשתיות המגוונות במדעי המוח במכון ויצמן לכדי שלם גדול יותר, שיתופי ומשולב -  יצירת סביבה ייחודית של קרבה פיסית המקדמת אנרגיה סינרגטית עוצמתית ומאיצה תגליות לטובת האנושות.

מדענים ממכון ויצמן למדע תרמו ליותר מ- 500 מאמרים הרלבנטיים למדעי המוח, בחמש השנים האחרונות בלבד, וכמה מאותם מאמרים כבר צוטטו מאות פעמים. החל מזוגות למיטה, מהתחום המתהווה של הינה מלאכותית, להתקדמות טכנולוגית במודלים של מחלות והארת הנוף העצבי, מדעי המוח עומד על קצה המצוק. עם הקמת המכון לחקר מדעי המוח, מכון ויצמן מוכן להמריא.

 

מרכזי מחקר

 

התפתחות רשתות עצביות

המוח הבוגר הוא רשת מורכבת של כ- 100 טריליון חיבורים בין עשרות מיליארדי נוירונים. תפקודה התקין של הרשת מחייב חיווט יעיל של מעגלים אופטימליים ועם זאת גמישים דיים בכדי לאפשר למידה ולהתמודד עם אי הוודאות שבחיי היומיום. 

שאלה: כיצד המוח, עם כל הרשתות העצביות המורכבות שלו, מתפתח? מה קורה כאשר התהליך משתבש?

תשובה: המדענים ישאפו לחשוף כיצד סוגים מסוימים של נוירונים מסוימים מתגלים במהלך ההתפתחות, כיצד נוירונים נודדים למיקומם הנכון, וכיצד זרועות הנוירונים (אקסונים) מכוונות אותם ממרחק למצוא את יעדיהם. בין הנושאים: הבנת היווצרות קשרים עצביים (סינפסות), עיצוב מחדש של סינפסות ומעגלים, התפתחות הבדלי מין ברשתות עצביות, תפקידם של תאי תמיכה עצבית ומטבוליזם עצבי.

מחקר זה יביא להבנה טובה יותר של הפתולוגיה העומדת בבסיסן של מחלות והפרעות רבות, החל מאפילפסיה ותסמונת X שביר ועד למחלות נפשיות.

 

תפיסה ופעולה

לבני האדם יש תאבון שאינו יודע שובע לקלט חושי – בין אם מודע או לא מודע. תפיסה חושית מספקת עיכול מידי של מידע ומניעה את התנהגותנו בעודנו מחפשים את החדש.

שאלה: כיצד אנו חשים, ואיך המוח משלב קלט ממודלים חושיים שונים לכדי יצירת תמונה קוהרנטית?

תשובה: מדעני מכון ויצמן בוחנים מגוון צורות של עיבוד חושי כדי להבהיר כיצד קלט חושי מתורגם לכדי פעולה. הם פועלים גם לחשיפת תהליך הפעולה המוטורית – מהחלטה לבצע פעולה באזורים מוחיים גבוהים יותר, לביצוע התנועה באמצעות פקודות המועברות לעמוד השדרה, להפעלת השריר.

מחקר זה ישפר את הבנתן של הפרעות חושיות ומחלות מוטוריות ויתרום למאמצים לפיתוח טכניקות של חלופות חושים, להקלה על כאבים כרוניים ולפיתוח טכנולוגיות חישה מלאכותיות, כגון זרועות רובוטיות וממשקי מכונה-מוח.

 

בריאות נפשית ורגשית

למעלה מ- 7 אחוזים משנות תוחלת החיים הגלובליות שאבדו כתוצאה ממחלה, נכות, או מוות בטרם עת, נגרמים ממחלות נפשיות, כולל דיכאון, חרדה, סכיזופרניה והפרעה דו-קוטבית.

שאלה: מה מעודד מחלות נפשיות, מה מעודד חוסן, וכיצד נוכל להשפיע על מצבים אלו?

תשובה: המדענים במרכז זה ישלבו שיטות מולקולריות, ביוכימיות, גנטיות והתנהגותיות במודלים פרה-קליניים עדכניים כדי לחקור מסלולים עצביים. אחרים ישתמשו בטכניקות פסיכו-פיסיקה ובטכנולוגיות הדמיית מוח בבני אדם ובאלקטרו-פיסיקה במודלים של בעלי חיים בכדי לחשוף רשתות הקשורות לרגשות ברמת תאי מוח בודדים וכדי להבין כיצד רשתות אלו פועלות באופן בלתי תקין במחלות נפש.

תובנות צפויות מפעילות המרכז הזה יחזקו את החוסן הנפשי, ימנעו מחלות נפש ויציגו תכנון יעדים חדשים לטיפול מבוסס-מוח בעת מחלה.  

 

למידה, זיכרון וקוגניציה

סימן ההיכר של האבולוציה האנושית היא תפקוד קוגניטיבי מתוחכם.

שאלה: כיצד המוח שלנו הופך אותנו למי שאנחנו – ואיך נוכל "לתקן" את המוח כאשר פעילותו אינה תקינה?

תשובה: המדענים יחפשו תשובות לשאלות אלו ולרלבנטיות שלהן ללקויות קוגניטיביות, דמנציה, אמנזיה, ליקויי למידה ומחלות נפש.

המוח האנושי מבצע חישובים מורכבים העולים על היכולת של כל מכונה מודרנית. תהליך זיכרון העבודה, השפעת הקשב, והאחסון של זיכרונות מסוימים בעוד שאחרים מודחקים או נמחקים – הם חלק ממורכבות זו. תוסיפו לכך את אופן קבלת ההחלטות האופטימלי (הכלול בתחום המתהווה של נוירו-כלכלה). טיפול בבעיות אלו ואחרות מחייב מחקר משולב של פעילות המוח עם תובנות ממדעי המוח ומדענים מתחום המחשבים שיסללו את הדרך לעבר למידת ממוחשבת מתקדמת וטכנולוגיות 'חכמות' העומדות בלב הבינה המלאכותית.

 

המוח והזדקנות

ככל שמדע וטכנולוגיה רפואית ממשיכים להאריך את תוחלת החיים האנושית, חברות ויחידים חייבים להתמודד עם ההשלכות הבלתי נמנעות: הידרדרות נפשית וגופנית של הזדקנות בריאה, שלא לדבר על השכיחות הגוברת של מחלות ניווניות תלויות גיל.

שאלה: כיצד המוח משתנה בתהליך ההזדקנות? האם ניתן לעצור או להפוך תהליך זה?

תשובה: באמצעות שיתופי פעולה נרחבים על פני תחומים ודיסציפלינות, מדעני מכון ויצמן יקדמו את הבנתנו לגבי הגורמים המניעים את תהליך ההזדקנות והתוצאות הפיסיולוגיות של המוח המזדקן – הבריא והחולה -  וצפויים להניב טיפולים פוטנציאליים למחלות תלויות גיל. מרכז זה יעבוד בשיתוף פעולה עם המכון על-שם סגול לחקר אריכות ימים, המשלב ביולוגיה של הגוף והמוח הקשורה להזדקנות ואריכות ימים.

 

ניוון מוחי

אלצהיימר, פרקינסון, טרשת עורקים אמיוטרופית, טרשת נפוצה, והנטינגטון הן מחלות המאופיינות באובדן קוגניציה וזיכרון, שינויים בהתנהגות וחוסר יכולת לשלוט בתפקודי הגוף. מחקר למניעה ותיקון של ניוון מוחי הוא בעדיפות עליונה למדע ולרפואה.

שאלה: מהם הגורמים והמסלולים של המחלות הניווניות? כיצד ניתן למנוע ולרפא אותן?

תשובה:  מציאת פתרונות לאתגרי הניוון המוחי עומדת בלב המחקר במרכז זה, שישמש כפלטפורמה לגילוי מנגנונים בסיסיים של שלמות המוח, הכשל בתפקודם בניוון מוחי ואמצעים פוטנציאלים לשיפורם. המחקר ימנף את ההתקדמות שתושג בשאר המרכזים בתחום ההתפתחותי, הסנסומוטורי, הזיכרון וההזדקנות, ויספק תובנות מרכזיות לגבי מנגנונים מולקולריים, תאיים, גנטיים ומערכתיים, הבסיסיים לתפקוד מערכת העצבים.

 

פציעה והתחדשות

בשונה מהצמיחה הרחבה והתאמת הנוירונים בהתפתחות המוקדמת, נוירונים של מערכת העצבים המרכזית עוברים התחדשות מועטה, אם בכלל, בעקבות פציעות, כמו אלו בעמוד השדרה, המתרחשות במהלך בגרותם. כשל חוסני זה יוחס לשילוב של גורמים חיצוניים מעכבים – כגון פציעה טראומתית – וכן לאובדן יכולת צמיחה אינהרנטית.

שאלה: מה קורה למערכת העצבים כאשר היא פצועה? כיצד ניתן לתקן נזקים למוח ועמוד השדרה?

תשובה: המדענים יפעלו להבנת תפקידם של גורמים חיצוניים ואינהרנטיים אלו, העשויה לשפוך אור על האופן בו ניתן להשפיע על נוירונים פגועים להתחדש. המחקר יעסוק בשאלות מהותיות כמו תגובה לפציעה ופוטנציאל הצמיחה של רקמה עצבית פצועה. החוקרים יפיקו תובנות מאורגניזם כמו דגים ויצורים דו-חיים, המחדשים נוירונים ביעילות רבה יותר מיונקים.

 

מדעי המוח התיאורטיים והחישוביים

חוקרי מוח תיאורטיים וחישוביים שואלים שאלות על העקרונות העומדים בבסיס תכנון מעגלים עצביים, קידוד עצבי ועיבוד מידע במוח – וההשפעה הנובעת מכך על ההתנהגות. מטרת מחקרם היא לחשוף כיצד נוצרים מעגלים עצביים, איך הם מתפקדים ולומדים וכיצד יתוקנו– או אף ישופרו - במידה ונפגעו.

שאלה: מהי ה"שפה" – הקוד העצבי – המשמש את מאות מיליארדי הנוירונים במוח? כיצד שפה זו מאפשרת למוח לבצע את החישובים המתוחכמים שהופכים אותנו לבני אנוש?

תשובה: המדענים במרכז זה ישתמשו בכלים  מתמטיים שנלקחו מהפיסיקה הסטטיסטית, מערכות דינמיות, למידת מכונות, ותורת המידע כדי ליצור תאוריות ומודלים חדשים של תפקוד המוח, ולייצר שיתופי פעולה אינטנסיביים עם מעבדות ניסוי. הכלים החישוביים לניתוח 'ביג דאטה' יפתחו גבולות ניסויים חדשים, ואילו מודלים תאורטיים להבנת עיצוב ותכנון מעגלים עצביים יספקו מידע על פתולוגיה ועיצוב תרופות כאחד. בסופו של דבר, ניתן יהיה לחשוף את הדרכים בהן 'תקלות' בקוד העצבי עומדות בבסיס מחלה נוירולוגית.

 

פיתוח טכנולוגיות חדשניות

למדעני מכון ויצמן היסטוריה נרחבת של פיתוח טכנולוגיות פורצות דרך אשר יושמו ברחבי קהילת מדעי המוח הבינלאומית. מרכז זה ימנף מומחיות זו כעמוד התווך להתפתחות טכנולוגית ופיתוח טכניקות חדשות הנחוצות להאצת קצב התגליות בכל המרכזים המרכיבים את המכון לחקר מדעי המוח. יצירת טכנולוגיות כאלה מחייבת שיתוף פעולה הדוק בין מדענים מתחומי הביולוגיה, פיסיקה, כימיה, הנדסה ומחשבים. מומחים אלו יעבדו יחדיו כדי לזהות בעיות ספציפיות, לחשוב על מציאת פתרונות, ואז לתכנן ולבנות פתרונות אלו.