פרופסור Karel Svoboda זכה בפרס המוח בשנת 2015, יחד עם Winfried Denk, Arthur Konnerth ו-David Tank, על "ההמצאה והפיתוח של מיקרוסקופיה דו-פוטונית, והשימוש בה כדי לספק תמונות דינמיות ומפורטות של פעילות בתאי עצב יחידים, בדנדריטים ובסינפסות, מה שחולל שינוי בחקר ההתפתחות, הפלסטיות והמעגלים התפקודיים של המוח".

פרס המוח הוא פרס בין-לאומי שמעלה על נס פריצות דרך מקוריות וחדשניות בכל תחומי חקר המוח, ממדעי המוח הבסיסיים ועד למחקר קליני יישומי. מאז היווסדו בשנת 2011 ועד שנת 2025, פרס המוח הוענק ל-49 מדענים מ-11 מדינות.

מדוע אני חוקר את המוח?

העיסוק במדע נובע מסקרנות עמוקה, ומרצון לחקור את הטבע ואת היקום. אחת השאלות הבסיסיות ביותר המעסיקה מדענים היא: כיצד המוח יוצר את החוויות ואת ההתנהגויות שלנו, ומעצב אותן לכדי מחשבות, רגשות, תפיסות ופעולות? כיום, אנו יודעים על המוח מעט מאוד – איננו מבינים לגמרי כיצד חלקי המוח פועלים בפני עצמם, או כיצד הם פועלים יחד כדי לעבד מידע וליצור התנהגות. הדבר נכון במיוחד במחלות הפוגעות במוח; המדע התקדם רק במידה מוגבלת בהבנת הגורמים לשלל ההפרעות, ולכן הצלחנו לפתח רק מעט טיפולים. דוגמה לכך היא מחלת פרקינסון – זוהי הפרעת תנועה שפוגעת לעיתים קרובות באנשים מבוגרים. הרופאים משתמשים כבר כ-50 שנה בתרופה שנקראת לבודופה (Levodopa) כדי לטפל בתסמיני המחלה, אבל למעשה איננו מבינים מדוע היא פועלת!

על אף שצריך להבין טוב יותר את המוח, במיוחד כדי לעזור לאנשים הסובלים ממחלות הפוגעות במוח, חשוב ומרגש לחקור את המוח גם כשהוא פועל באופן תקין. אני נמשך מאוד למדעי המוח, משום שהם מרגישים כמו לצאת להרפתקה גדולה לחקר אחת התעלומות הגדולות ביותר שעלינו עדיין לפתור. בכל פעם שמדעני מוח מפתחים כלי חדש, אנחנו לומדים משהו חדש ובסיסי על המוח. לכן אני מתעניין בפיתוח כלים, ומאמין שכלים חדשים קידמו את מדעי המוח – אפילו יותר מאשר בתחומים אחרים של הביולוגיה.

מביטים אל תוך המוח בעזרת מיקרוסקופיה דו-פוטונית

אחת הדרכים לחקור כיצד המוח פועל היא לצפות בו בזמן אמת. עם זאת, התבוננות לתוך רקמה חיה, כמו מוח של בעל חיים, היא עניין מאתגר מאוד. הרקמה מקשה על האור לנוע לעומק – וגם מקשה עליו לצאת בחזרה החוצה. אם אתם מסתכלים על היד שלכם, אינכם יכולים לראות לתוכה, נכון? זה קורה מפני שהעור חוסם את רוב האור, ומונע ממנו לעבור דרכו. אותו הדבר קורה ברקמת המוח. זו בעיה גדולה עבור מיקרוסקופים, מפני שמיקרוסקופים זקוקים לאור כדי "לראות". מיקרוסקופים מסורתיים פועלים היטב כאשר חוקרים תא יחיד בצלחת, או פרוסה דקה מאוד של רקמה, משום שהאור יכול לעבור דרכם בקלות. עם זאת, רוב התהליכים הביולוגיים – וחלק גדול מהפעילות המוחית המעניינת ביותר – מתרחשים ברקמות חיות ועבות, שדורשות גישה אחרת.

כאן נכנסת לתמונה המיקרוסקופיה הדו-פוטונית [1]. פוטונים הם חלקיקי אור – ובמקרה הזה, יחידות זעירות של אנרגיה שנפלטות מלייזר. כשפוטון עם האנרגיה המתאימה פוגע במולקולה, הוא יכול להיספג בה ולגרום לעירור, כלומר, לגרום למולקולה "לקפוץ" לזמן קצר למצב של אנרגיה גבוהה יותר. במיקרוסקופ דו-פוטוני קורה דבר מיוחד: שני פוטונים, שכל אחד מהם נושא מחצית מן האנרגיה הדרושה, מגיעים כמעט באותו הזמן ומשלבים את האנרגיה שלהם כדי לעורר מולקולה פלואורסצנטית, שזוהרת לאחר שהיא סופגת אור. האפקט הדו-פוטוני הזה מתרחש רק במקום שבו האור מרוכז מאוד – בנקודה הזעירה שבה הלייזר ממוקד. מכיוון שהעירור מתרחש רק בנקודת המיקוד, אנו מקבלים אות – כלומר, רואים את המולקולה הפלואורסצנטית "זוהרת" – בעיקר מאותה נקודה זעירה, ולא מכל הרקמה שמקיפה את הנקודה, דרכה עובר האור.

למיקרוסקופיה דו-פוטונית יש יתרונות ניכרים על פני מיקרוסקופים מסורתיים (איור 1). ראשית, היא מצריכה שימוש באור בעל אנרגיה נמוכה יותר, שהוא עדין יותר, והנזק שהוא לרקמות חיות קטן יותר, ולכן מדענים יכולים לצלם במשך פרקי זמן ארוכים יותר [2]. שנית, אורך הגל של האור הזה ארוך יותר, מה שעוזר לו לחדור עמוק יותר לתוך הרקמה – לעיתים קרובות עד לעומק של כ-1 מילימטר, כלומר, בערך פי חמישה מהעומק שאליו מיקרוסקופ אור מסורתי יכול לחדור. שלישית, מכיוון שהזְהירה (פלואורסצנציה) נוצרת בעיקר בנקודת המיקוד, התמונות חדות ומדויקות יותר, וכך מדענים יכולים לראות פרטים עדינים בתוך רקמת מוח חיה.

פיתוח מיקרוסקופיה דו-פוטונית לחקר המוח

המיקרוסקופ הדו-פוטוני לא פותח במקור במיוחד כדי להתבונן בתוך רקמת מוח. בסוף שנות ה-80 של המאה ה-20, באוניברסיטת Cornell שבניו יורק, ארצות הברית, לקבוצה אחת היה מיקרוסקופ סורק-לייזר, ולקבוצה אחרת היה סוג הלייזר המתאים למיקרוסקופיה דו-פוטונית. הם פרסמו את התמונות הדו-פוטוניות הראשונות בשנת 1989 (איור 2A) ‏[3]. באותו הזמן, הם לא ידעו לְמה מיקרוסקופיה דו-פוטונית תהיה שימושית במיוחד – ולכן המאמר לא הדגיש את השימושים ברקמה שלמה, שבסופו של דבר הפכו את השיטה למפורסמת. מאוחר יותר, כשעבדתי במעבדות בל (Bell Laboratories) עם Winfried Denk, David Tank ועמיתים נוספים, הבנו לאיזה שימוש מיקרוסקופיה דו-פוטונית באמת מתאימה במיוחד: לצילום עמוק בתוך המוח החי (איור 2B).

ברגע שהבנו את הפוטנציאל הזה, עמדנו בפני סדרה חדשה של אתגרים הנדסיים. היינו צריכים לחשוב מחדש על תכנון המיקרוסקופ מהיסוד. מיקרוסקופים מסורתיים נבנו עבור תאים בצלחות, ולא עבור מחקר של בעלי חיים שלמים ומתפקדים. מסיבה זו, בנינו מיקרוסקופים על שולחנות מעבדה חזקים, ולעיתים אפילו תלינו את המיקרוסקופ מעל בעל החיים, כדי שיוכל להביט כלפי מטה בזמן שבעל החיים נע. פיתחנו גם תוכנה לשליטה במיקרוסקופ ולסנכרון שלו עם מדידות אחרות – למשל, מצלמות וידאו שעוקבות אחרי מה שבעל החיים עושה.

בימים הראשונים אפילו בנינו בעצמנו לייזרים מֵעֲרָכוֹת ("קיטים"). בהרבה מהמקרים, עיקר המיקוד שלנו היה בניסיון לוודא שהלייזר יעבוד, ואז, כשהוא סוף סוף פעל, ניסינו לבצע במהירות את הניסוי, לפני שמשהו שוב יתקלקל. למרבה המזל, זה השתנה כשהמיקרוסקופיה הדו-פוטונית נעשתה נפוצה יותר, ויצרני לייזרים החלו למכור מערכות אמינות (איור 2C).

במערכת טיפוסית, הלייזר נשאר על נקודה זעירה אחת במשך כ-100 ננו-שניות (ננו-שנייה היא מיליארדית השנייה) ומעביר אל אותה נקודה עד ¹⁰¹⁰ פוטונים, כלומר 10 מיליארד פוטונים, כדי ליצור שם את האות הניתן למדידה. כדי לסרוק את הרקמה, מראות זעירות נוטות קדימה ואחורה במהירות עצומה (עד 20,000 פעמים בשנייה) ומכוונות את נקודת הלייזר על פני הדגימה, כך שהמיקרוסקופ יכול לבנות תמונה, שורה אחר שורה. זהו הישג הנדסי מרשים מאוד (איור 3).

נוסף על חומרת הלייזר והמיקרוסקופ, היה עלינו לפתור בעיה נוספת: היה עלינו ליצור מולקולות פלואורסצנטיות שמתאימות לתאי מוח. באותו זמן, המולקולות הפלואורסצנטיות שהיו קיימות לא התאימו כל כך למדידת פעילות במוח החי. הקדשתי כ-10 שנים לפיתוח מולקולות שמדווחות בבירור על פעילות של תאי מוח, שאפשר להכניס לתאי מוח בלי לפגוע בהם [4]. כאשר כל "חלקי הפאזל" הטכניים האלה התחברו – לייזרים, מיקרוסקופים סורקים, תוכנה ומולקולות פלואורסצנטיות – המיקרוסקופיה הדו-פוטונית המודרנית הפכה למציאות, וכיום היא אחד הכלים הנפוצים ביותר במחקר בסיסי של המוח.

לראות את הדברים הקטנים והגדולים בו-זמנית

אחד הדברים שהכי מעניינים אותי הוא להבין כיצד למידה מתרחשת במוח. למידה כוללת שינויים בקשרים בין תאי עצב, ולעיתים קרובות היא מערבת אזורים גדולים ברחבי המוח. זהו אתגר גדול: כיצד אפשר לראות את החלקים הקטנים ביותר של תאי עצב – הקשרים ביניהם – ובו בזמן לצפות בתאי עצב רבים בבת אחת? רוב המיקרוסקופים מתמודדים עם פשרה בין רזולוציה (היכולת לראות פרטים זעירים) לבין שדה ראייה (היכולת לראות אזור גדול). אם מתקרבים כדי לקבל רזולוציה גבוהה, אפשר לראות רק אזור קטן. אם מתרחקים כדי לראות אזור גדול, מאבדים את הפרטים העדינים.

בעזרת שיטות תכנון מודרניות, ובהן למידת מכונה, פיתחנו עדשות מיוחדות שיכולות ללכוד את הדברים הקטנים והגדולים בעת ובעונה אחת. קראנו לזה אטנדו גבוה, כלומר, מערכת שיכולה לאסוף הרבה אור מאזור גדול בבת אחת. כך, אנו יכולים לצלם תמונות רחבות של פעילות מוחית בלי לוותר על יותר מדי פרטים [5]. עדשה שפיתחנו לאחרונה יכולה לראות אזור שרוחבו 5 מילימטרים – בערך בגודל של מוח עכבר שלם – ועדיין להגיע לרזולוציה גבוהה מאוד. הדבר מאפשר לנו לראות מבנים זעירים, כמו קשרים יחידים בין תאי עצב על פני אזורי מוח רבים בבת אחת – יותר מפי 10 מכמות המידע שיכולנו לקבל בעזרת עדשות מיקרוסקופ רגילות. זה מרגש, משום שזה מקרב אותנו לצעד הבא – לצפות בלמידה מתרחשת בזמן אמת, ולגלות איך רשתות שלמות של תאי עצב מארגנות את עצמן מחדש כדי ליצור התנהגות חדשה.

התמונה הגדולה: מחקר שמוּנע מסקרנות משנה את העולם

רבות מפריצות הדרך הגדולות ביותר במדע ובטכנולוגיה התחילו בשאלה שנבעה מתוך סקרנות, ולא מתוכנית שנועדה לפתור בעיה מעשית. מיקרוסקופיה דו-פוטונית היא דוגמה מצוינת לכך. היא צמחה מתוך עבודתם של פיזיקאים שפיתחו סוגים חדשים של לייזרים, פשוט כדי לבדוק מה אפשר לעשות איתם – זמן רב לפני שאנשים הבינו שלייזרים כאלה יכולים להפוך לדרך עוצמתית להתבונן אל עומק המוח. סיפור דומה התרחש עם חלבונים זוהרים: החלבון הפלואורסצנטי הירוק הגיע ממחקר על האופן שבו מדוזות זוהרות, ובסופו של דבר הוביל לפיתוח מולקולות פלואורסצנטיות, שכיום משמשות בכל תחומי הביולוגיה, ובכלל זה, במיקרוסקופיה דו-פוטונית. גם הבינה המלאכותית המוקדמת צמחה מחוקרים שניסו להבין כיצד למידה עשויה לפעול במוחות, והרעיונות הללו הובילו בסופו של דבר לפיתוח כלי הבינה המלאכותית העוצמתיים של ימינו, ביניהם ChatGPT.

הדפוס ברור: כאשר אנשים חכמים חוקרים נושאים מעניינים, במקרים רבים, יישומים בעולם האמיתי צומחים באופן טבעי מתוך התגליות שלהם. לעיתים זה קורה בדרכים שלא ניתן היה לחזות מראש. אני מעודד אתכם להצטרף לעולם המדע, ולחקור כמה מן התעלומות הגדולות ביותר, שעשויות להפוך לבסיסן של פריצות דרך טכנולוגיות עתידיות שאיננו מסוגלים אפילו לדמיין.

מילון מונחים

מחלת פרקינסון (Parkinson’s Disease): ↑ הפרעה מוחית שכיחה אצל מבוגרים, שמקשה על שליטה בתנועה. אנשים הלוקים בה עשויים לרעוד, לנוע באיטיות או להרגיש נוקשות.

מיקרוסקופיה דו-פוטונית (Two-photon Microscopy): ↑ שיטה שמאפשרת לראות אל תוך רקמה חיה בעזרת לייזר ממוקד, שגורם לתאים לזהור רק בנקודה זעירה שנבחרה. כך, נוצרת תמונה חדה, מבלי לפגוע ברקמה שמסביב.

עירור (Excitation): ↑ מצב שבו מולקולה סופגת אור ומקבלת "תוספת אנרגיה", שמעבירה אותה למצב של אנרגיה גבוהה יותר.

מולקולה פלואורסצנטית (Fluorescent Molecule): ↑ חומר כימי זעיר שסופג אור, ואז פולט אור בצבע אחר. כך הוא זוהר ומאפשר למדענים לראות אותו.

אורך גל (Wavelength): ↑ אורכו של גל אור. גלים ארוכים יותר (כלומר, בעלי אורך גל גדול יותר), יכולים לחדור עמוק יותר לתוך רקמה חיה בלי לפגוע בה.

זהירה (Fluorescence): ↑ פליטת אור ממולקולה מעוּררת. מצב שנגרם מבליעת אור או מקרינה אלקטרומגנטית.

למידת מכונה (Machine Learning): ↑ מצב שבו מחשבים לומדים דפוסים מתוך דוגמאות רבות, וכך יכולים לקבל החלטות בעצמם, למשל, לשפר עדשות מצלמה במטרה לצלם תמונות חדות יותר.

אטנדו גבוה (High Etendue): ↑ יכולתו של מיקרוסקופ לאסוף הרבה אור מאזור גדול בבת אחת, כך שאפשר לראות שדה ראייה רחב בלי לאבד פרטים רבים מדי.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

ברצוני להודות לאור רפאל על עריכת הריאיון ששימש בסיס למאמר הזה, ועל הכתיבה המשותפת של המאמר; לאיריס גת על האיורים; ל-Susan Debad על עריכת הלשון של כתב היד.

חומרי קריאה נוספים (אנגלית)

1. The Brain Prize 2015 -2-photon-microscopy

הצהרת כלי בינה מלאכותית

הכותבים מצהירים שאינם השתמשו בכלי בינה מלאכותית בכתיבת מאמר זה.

טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.