רעיון מרכזי מדעי המוח ופסיכולוגיה פורסם: 17 בדצמבר, 2024

אִמְרוּ ''צִ'יז''! תמונות ממוחו של עכבר חי

תַקצִיר

המוח האנושי הוא מערכת מורכבת מאוד המכילה מיליארדי תאי עָצָב, שכולם מחוברים ביניהם. תפקודו הרגיל של המוח תלוי בתקשורת יעילה בין תאי העצב, המצריכה שהמסרים ינועו במורד תא עצב, ואז לתא הבא המחובר אליו. ישנן כמה מחלות שמקורן הוא תקשורת לקויה בין תאי העצב. לכן, חשוב לחקור את המסרים הללו במוח. כיוון שקשה לחקור מוח של אדם חי, מדענים משתמשים ביצורים פשוטים יותר, כמו עכברים. כדי לבחון תאי עצב של עכבר, מחליפים פיסה מגולגולתו בחלון זכוכית שקוף. אז אפשר להשתמש במיקרוסקופים עוצמתיים כדי לצלם את תאי העצב הנמצאים בעומק המוח החי. שימוש מתוחכם בלייזר כדי לעורר 'סַמָּנִים' כימיים בתוך תאי העצב, גורם להם לזרוח באור פְלוּאוֹרֶסְצֶנְטִי. הצטרפו אלינו כדי לחקור את המנגנונים הנסתרים של תקשורת בין תאי עצב במוח החי!

תאי עצב במוח

האם אי פעם תהיתם איך אתם מסוגלים ללכת; לדבּר; לחשוב; לחוש ולזכור? כל אחד מהתפקודים הללו (ורבים אחרים), נשלט על ידי המוח. המוח האנושי הוא מערכת מורכבת אשר מאפשרת לאיברים השונים בגוף לתקשר זה עם זה. בדומה למַחשב, המוח קולט מידע מהחושים, כדי להבין את הסביבה שבה מצוי האדם ולאפשר לו להגיב בתוך שניות, או פחות מכך!

המוח מורכב ממיליארדי תאי עָצָב

, המכונים גם נוֹיְרוֹנִים (איור 1). תאי העצב מְתקשרים על ידי העברַת שדרים חשמליים וכימיים הנקראים מוליכים עֲצַבִּייּם
מולקולה שעוברת מתא עצב אחד לאחר, כדרך לשליחת מסרים.
, זה לזה. שדרים אלה יוצאים מענפים הנקראים דֶּנְדְּרִיטִים
'ענפֵי' תא העצב, אשר קולטים מידע.
, ונעים מַטָּה לאורכו של כל תא עצב, עד שהם מגיעים למקום שממנו השתחררו המוליכים העֲצַבִּיּים, הידוע כטֶרְמִינָל קְדַם-סִינַפְּטִי
אתר שחרור המוליכים העצביים במוח. מולקולות של מוליכים עצביים משתחררות מהאתרים הללו, ונקלטות על ידי תא העצב הבא. כך המידע עובר הלאה.
. מוליכים עצביים יוצאים מהטרמינלים הקדם-סינפטיים, חוצים מִרווח קטן, ונוגעים בדנדריטים של תא העצב הבא. תהליך זה מתרחש בתוך חלקיק שנייה. לעיתים קרובות, משווים את תנועת המוליכים העצביים לחשמל הזורם דרך חוט חשמל. המוח מגיב לְמָה שאנו רואים או מרגישים באותה צורה שבה אור מגיב ללחיצה על מֶתֶג: שֶׁדֶר שעובר מהמתג אל הנורה גורם לה להידלק. באופן דומה, שדר הכּאב מעקיצת דבורה עובר מהאצבע אל המוח (איור 1), ומאפשר לנו לדעת מה אירע, והיכן. אך מה קורה כאשר חוט החשמל שמחבּר בין המתג לנורה נקרע? האור לא יידלק. אותו הדבר יכול להתרחש במוח בעת פציעה או מחלה. ישנן פציעות או מחלות שעלולות ליצור בעיות במסלול התקשורת בתוך המוח. ייתכן שתאי העצב הפגועים יתקשו לשלוח מסרים, או שאולי ישלחו מסרים בלתי נכונים. לכן, ישנהּ חשיבוּת לכך למחקר, על מנת לבחון תאי עצב בפעולה. כאשר מדענים יכולים לעקוב אחר התקשורת בין תאי העצב ואחר תהליך גדילתם, הם משיגים הבנה טובה יותר לגבי מגוון מחלות. שעה שאנו מצליחים להבין מה מוֹנע מתאי העצב לתפקד כראוי, ביכולתנו למצוא דרכים לתקן אותם באמצעות טיפולים כגון תרופות או ניתוחים.

איור 1 - תחושת הכּאב באצבע מעקיצת דבורה עוברת במסלול של תאי עצב עד למוח.
  • איור 1 - תחושת הכּאב באצבע מעקיצת דבורה עוברת במסלול של תאי עצב עד למוח.
  • שְׁדרים שתאי העצב מעבירים אל המוח מאפשרים לנו להבין מה קורה סביבנו. כאשר השדר מגיע לקצה (טרמינל קדם-סינפטי) של אחד מתאי העצב, הוא עובר לדנדריטים של תא העצב הבא, מֵעֵבֶר למִרווח הקיים בין התאים. דבר זה מאפשר לשֶּׁדר להמשיך לכיוון המוח. איור תא העצב הוא תמונה מופשטת של תא עצב טיפוסי במוח כדי להסביר את מבנהו, אך ישנם תאי עצב אנושיים שנראים אחרת. מקרא (מלמעלה למטה):
    Dendrite = דנדריט;
    Presynaptic Terminal = טרמינל קדם-סינפטי;
    Neuron = תא עצב.

להציץ אל תוך המוח

הבה נציץ אל תוך המוח. כדי לבחון תאי עצב, מדענים משתמשים במיקרוסקופים. קל להסתכל על תאי עצב בצלחת מעבדה באמצעות מיקרוסקופ... אך מה אם ברצוננו להתבונן על תאי עצב פעילים בתוך מוח חי? כדי לעשות זאת, מדענים משלבים טכניקה ניתוחית שנקראת חיתוך גולגולת

, עם שימוש במיקרוסקופ מיוחד שנקרא מיקרוסקופ דּוּ-פוֹטוֹנִי
סוג של מיקרוסקופ המאפשר למדענים להתבונן על תאי עצב בעומק המוח, בלי שהַתאים שמעל תאי העצב יחסמו את טווח הראייה.
. כיוון שלא ניתן לבצע את הניתוחים הללו בבני אדם, משתמשים בעכברים. עכברים משמשים לעיתים קרובות כחיות מעבדה, הידועות כמוֹדֶלים למחקר, במטרה לחקור פציעות במוח ומחלות מוח [1]. מדענים יכולים להשוות מוח של עכבר בריא לזה של עכבר חולה, כדי לאתֵּר את האזורים שניזוקו ואת הסיבות האפשריות לכך. לפעמים ניתן להשוות את האזורים הפגועים הללו לאותם אזורים פגועים במוחותיהם של בני אדם עם מחלה זהה. המשמעות היא שבאופן כללי מדענים יכולים להבין איך לטפל במחלות אנוֹשיוֹת באמצעות ניסוי טיפולים על עכברים. אם מצב העכברים משתפר, ייתכן שזה יקרה גם אצל בני אדם!

כדי לבצע חיתוך גולגולת, חייבים להרדים

את העכבר. לצורך כך משתמשים בתרופות הגורמות לעכבר לאבד הכרה, במטרה שלא ירגיש כאב בזמן הניתוח – כפי שהרופא היה עושה עבורכם במצב דומה. כאשר העכבר מחוסר הכרה, מגלחים את ראשו ומְחטאים אותו. החוקר מסיר את העור ואת הגולגולת באזור קטן בראש, וכך נחשף אזור זעיר ממוחו של העכבר. מכסים את האזור הזה בחתיכת זכוכית שקופה, ומקבּעים אותה במקום. כעת, לעכבר יש חלון קבוע בראשו, שדרכּו ניתן לצלם תמונות של תאי עצב באמצעות המיקרוסקופ הדו-פוטוני (איור 2). העכברים מתאוששים במהרה מהניתוח, וממשיכים לִחיות בנוֹחוּת – לא נראה שהם מודעים לקיומו של החלון.

איור 2 - למידה על אודות תאי עצב במוח אנושי מצפייה בתאי עצב במוח עכבר.
  • איור 2 - למידה על אודות תאי עצב במוח אנושי מצפייה בתאי עצב במוח עכבר.
  • (A) מבצעים ניתוח הנקרא 'חיתוך גולגולת' כדי לחשוף חלק קטן ממוח העכבר. (B) מיקום חלון הזכוכית יכול להגן על מוח העכבר, ומאפשר לחוקרים לצלם תמונות של תאי עצב חיים בעכברים. (C) דוגמה לתמונת מיקרוסקופ דו-פוטוני, שבה רואים שלושה תאי עצב בשלב מוקדם של התפתחותם. אפשר להבחין בשלוחות הדקות והארוכות שלאורכן השדרים עוברים, כמו גם בשלושה גופי תא בהירים ועגולים.

כיצד צופים בתאי עצב?

במהלך חיתוך הגולגולת או לפני כן, המדענים מוסיפים צבעים פלואורסצנטיים לתאי העצב, כדי שיהיה אפשר לראותם תחת המיקרוסקופ. הצבעים גורמים לתאי העצב לזרוח בגוונים שונים כאשר קרן הלייזר פוגעת בהם. המיקרוסקופ קולט את האור שתאי העצב הללו פולטים, וכך ניתן לצלם תמונות או קטעי וידיאו שלהם. כדי שהמיקרוסקופ יקלוט את האור הנפלט מתאי העצב, כמויות מסוימות של חלקיקי אור לייזר, הנקראים פוֹטוֹנים

, צריכות לפגוע בצבע באותו הזמן (איור 3). מספר הפוטונים הדרושים תלוי בסוג המיקרוסקופ שבו משתמשים. ישנם שני סוגים עיקריים של מיקרוסקופים הפועלים בשיטה זו: מיקרוסקופ חד-פוטוני, ומיקרוסקופ דוּ-פוטוני. בשימוש במיקרוסקופ חד-פוטוני, פוטון אחד של אור לייזר צריך לפגוע בצבע, בעוד שבמיקרוסקופ דו-פוטוני, שני פוטונים של אור לייזר צריכים לפגוע בצבע באותו הזמן [2]. מיקרוסקופ דו-פוטוני הוא מדויק יותר, במיוחד אם רוצים להסתכל על תאים הנמצאים עמוק מתחת לפני השטח של המוח [3]. אם המדענים ממקדים את המיקרוסקופ שלהם בתא עצב עמוק ומנסים לצלם אותו, התמונה שתתקבל ממיקרוסקופ חד-פוטוני תהיה מטושטשת ובהירה מדי. זאת כיוון שאור הלייזר גורם לכל התאים שמעל תא העצב העמוק לזרוח, לא רק לתא שמתכוונים לצלם. דבר זה מקשה על הצפייה בתא העצב שמעוניינים לצלם. בשימוש במיקרוסקופ דו-פוטוני, התאים שמעל תא העצב אינם זורחים, משום שרק בנקודת המיקוד פוגעים שני פוטונים של אור בו בזמן (איור 3). לסיכום, מיקרוסקופים דו-פוטוניים טובים בהרבה להתבוננות בתאי עצב עמוקים – באמצעותם קל יותר לראות את תמונתו של כל תא עצב בבירור.

איור 3 - התבוננות בתאי עצב באמצעות שני סוגי המיקרוסקופים.
  • איור 3 - התבוננות בתאי עצב באמצעות שני סוגי המיקרוסקופים.
  • כיוון שדרושים שני פוטונים כדי 'להפעיל' סַמָּן פלואורסצנטי, המיקרוסקופ הדו-פוטוני מפעיל רק את אזור המטרה הייעודי.

כך מתקבלת תמונה ברורה יותר של תאים הנמצאים בעומק המוח. המיקרוסקופ החד-פוטוני מפעיל גם את כל התאים שמעל אזור המטרה ומתחתיו, וכך נוצרת תמונה מטושטשת. מקרא (מלמעלה למטה): אזור המטרה (מה שאנו רוצים לראות, עיגול אדום חלול) – האזור המופעל (מה שהמיקרוסקופ רואה, עיגול ירוק מלא) – עדשת המיקרוסקופ – אור הלייזר – מוח העכבר – הלייזר מפעיל את הצבעים הפלואורסצנטיים – מיקרוסקופ חד-פוטוני (משמאל) – מיקרוסקופ דו-פוטוני (מימין).

מה למדנו לגבי המוח בעזרת המיקרוסקופ הדו-פוטוני?

תמונות המוח שצולמו באמצעות מיקרוסקופ דו-פוטוני סיפקו מידע חדש רב על אודות מחלות מוח. הדבר נכון במיוחד כאשר חוקרים משתמשים במיקרוסקופים הללו כדי לבחון כיצד תאי עצב מְתקשרים. לדוגמה, במחקר שפורסם ב-2018, נעשה שימוש במיקרוסקופ דו-פוטוני כדי לחקור תקשורת בין תאי עצב בעכבר מודל של תסמונת X שביר. תסמונת זו היא גורם מרכזי בהיווצרות ההפרעה ההתפתחותית אוֹטיזם, שמופיעה לעיתים קרובות אצל ילדים [4]. החוקרים הבינו אֵילוּ סוגים של תאי עצב יוצרים בעיות בראייה. תמונות המיקרוסקופ שצילמו סיפקו להם את המידע אשר לו היו זקוקים כדי להתחיל לפתח טיפול בבעיות ראייה בקֶרֶב ילדים עם תסמונת X שביר.

בדוגמה נוספת ממחקר שנערך ב-2017, נעשה שימוש במיקרוסקופ דו-פוטוני כדי לחקור את התקשורת בין תאי עצב בעכבר מודל של מחלת אלצהיימר, המשפיעה על מבוגרים [5]. החוקרים גילו מידע חדש לגבי האופן שבו מחלה זו פוגעת בתפקוד המוחי. דוגמאות כאלה מוכיחות שניתן להשתמש במיקרוסקופ דו-פוטוני כדי להתבונן בשינויים המתחוללים בצורתם של תאי העצב ובגדילתם, שינויים אשר עשויים להשפיע על יכולתם של תאי העצב לתקשר זה עם זה. באפשרותם של מדענים גם למדוד שינויים באותות שתאי העצב הללו משדרים. כאשר תא עצב משדר אות, האות המשודר בדרך כלל משנה את רמות הסידן בתוך התא. לכן, אם המיקרוסקופ יכול למדוד את רמות הסידן בתוך תאים, מדענים מסוגלים לִצפות בשדרים הנעים בין תא אחד לתא אחר.

מה צופן העתיד

התגליות במחקרים המתוארים לעיל הן רק דוגמאות לאופן שבו מיקרוסקופ דו-פוטוני יכול לתרום לטיפולים עתידיים במחלות מוח ובפגיעות המתרחשות במוח. מחלות ופגיעות אלה משפיעות על אנשים בני כל הגילים, בכל העולם. הן כוללות את מחלת אלצהיימר; תסמונת X שביר; תסמונת דאון; סכיזופרניה, אירוע מוחי ועוד. כמדענים, אנו מקווים לגלות מידע חדש שיעשיר את היֶּדע שלנו, כך שנוכל לעזור למי שזקוק לכך. באמצעות כלים כמו מיקרוסקופ דו-פוטוני, מדענים מגיעים לתגליות כאלה בכל רחבי העולם.

מימון

העבודה זכתה למימון על ידי מענק: MSCA-ITN Syn2Psy, מספר: WCMA P74139.

מילון מונחים

תא עָצָב (,נוֹירוֹן Neuron): זהו השם המדעי לתאי המוח. תאי העצב מעבירים זה לזה שדרים, המאפשרים לנו ללמוד, לחשוב ולהרגיש.

מוליך עֲצַבִּי (Neurotransmitter): מולקולה שעוברת מתא עצב אחד לאחר, כדרך לשליחת מסרים.

דֶּנְדְּרִיטִים (Dendrite): 'ענפֵי' תא העצב, אשר קולטים מידע.

טֶרְמִינָל קְדַם-סִינַפְּטִי (Presynaptic Terminal): אתר שחרור המוליכים העצביים במוח. מולקולות של מוליכים עצביים משתחררות מהאתרים הללו, ונקלטות על ידי תא העצב הבא. כך המידע עובר הלאה.

חיתוך גולגולת (Craniotomy): סוג של ניתוח מוח המתבצע במעבדה על עכברים. במסגרת תהליך זה מדענים ממקמים חלון זכוכית בגולגולת העכבר כדי שיוכלו לצלם את תאי מוחו.

מיקרוסקופ דו-פוֹטוֹנִי (2-Photon Microscope): סוג של מיקרוסקופ המאפשר למדענים להתבונן על תאי עצב בעומק המוח, בלי שהַתאים שמעל תאי העצב יחסמו את טווח הראייה.

הרדמה (Anesthetize): שימוש בתרופות כדי להרדים חיה באופן זמני, כך שלא תחוש כאב או חוסר נוחות בזמן ניתוח.

פוֹטוֹנִים (Photons): חלקיקים בודדים של אור.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מקורות

[1] Seong, E., Seasholtz, A. F., and Burmeister, M. 2002. Mouse models for psychiatric disorders. Trends Genet. 18:643–50. doi: 10.1016/S0168-9525(02)02807-X

[2] Denk, W., Strickler, J. H., and Webb, W. W. 1990. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248:73–6. doi: 10.1126/science.2321027

[3] Svodoba, K., and Yasuda, R. 2006. Principles of two-photon excitation microscopy and its applications to neuroscience. Neuron. 50:823–39. doi: 10.1016/j.neuron.2006.05.019

[4] Goel, A., Cantu, D. A., Guilfoyle, J., Chaudhari, G. R., Newadkar, A., Todisco, B., et al. 2018. Impaired perceptual learning in a mouse model of Fragile X syndrome is mediated by parvalbumin neuron dysfunction and is reversible. Nat. Neurosci. 21:1404–11. doi: 10.1038/s41593-018-0231-0

[5] Bai, Y., Li, M., Zhou, Y., Ma, L., Qiao, Q., Hu, W., et al. 2017. Abnormal dendritic calcium activity and synaptic depotentiation occur early in a mouse model of Alzheimer’s disease. Mol. Neurodegenerat. 12:86. doi: 10.1186/s13024-017-0228-2