לשלוט במוח באמצעות אור – על פרס נובל מרגש שחולק זה עתה

בימים שבהם התחלתי ללמוד תואר ראשון במדעי המוח, חיפשתי לי אילנות להתלות בהם. מדענים שהגיעו לפריצות דרך יוצאות דופן שימלאו אותי בהשראה ויעזרו לי לראות עד כמה חקר המוח הוא עולם מרתק. אחד השמות שנתקלתי בהם במהרה הוא זה של קרל דייסרות', מדען אמריקאי מאוניברסיטת סטנפורד והאיש שעומד מאחורי האופטוגנטיקה, כלי שאז היה רק בתחילת דרכו, אבל כבר היה ברור לכולם שמדובר באחת מפריצות הדרך הגדולות של המאה ה-21 בחקר המוח.

כבר אז, כשהשיטה התפרסמה, היה ברור לנו שהיא ראויה לפרס נובל. היא יצרה שינוי שאין כדוגמתו ביכולת לחקור ולהבין את המוח. חיכינו הרבה זמן מהרגע שהשם של דייסרות' עלה לראשונה על הרדאר של הנובל, אבל היום, עשרים ואחת שנה לאחר המאמר פורץ הדרך שלו התפרסם, קרל דייסרות' קיבל את הטלפון משטוקהולם ויחד עם פטר הגמן וגאורג נגל, הם התבשרו לפני שעה קלה על זכייתם בפרס נובל לפיסיולוגיה או רפואה לשנת 2026.

קורולציה אינה מעידה על סיבתיות. זהו משפט שכל חובבי החשיבה הביקורתית אומרים באופן קבוע. אם שני דברים מתרחשים יחד, אין זה אומר שאחד בהכרח גרם לשני. במדעי המוח זו בעיה. יש לנו כלים לא רעים לזיהוי קורולציות, באמצעות fMRI למשל, אפשר לקרוא את זרימת הדם במוח, לתת לנבדקים לבצע פעולה (למשל, לשמוע מוסיקה), ולהסיק אילו אזורים פועלים ביתר במהלך אותה פעולה, ולחפש קשר: "כשהנבדק שלנו שמע מוסיקה, ראינו שינוי באזור X, ייתכן שזה אומר שהאזור X קשור לשמיעת מוסיקה".

אולם אי אפשר לדעת באמצעות כלים כאלה שהקשר הוא סיבתי, שאזור X באמת אחראי למה שאנחנו חושבים עליו. ניסוי שיעזור לנו להבין את זה יהיה ניסוי סיבתי, למשל: בואו נהרוס את התאים באזור X במוח ונראה האם עדיין אפשר לשמוע מוסיקה, או, בואו נכניס אלקטרודה לתוך המוח, נפעיל חשמלית את העצבים באזור X במוח, ואם האדם ידווח שהוא שומע מוסיקה פתאום, נקבל ראיה חזקה שהפעילות באזור קשורה באופן סיבתי לכך.

הבעיה הגדולה בניסויים האלה היא הסקאלה. בכל אזור במוח יכולים להיות גם מאות אלפים ואף מיליונים של נוירונים שיושפעו מהניסוי. ומה אם בעצם לכל התהליך היה אחראי רק תא אחד? באותה התקופה לא הייתה לנו אפשרות אמיתית לגעת בתא בודד או באוכלוסייה קטנה של תאים, לשנות רק אותם ולראות איך זה משפיע על המוח. ואז הגיעה האופטוגנטיקה.

הגמן ונגל, שני שותפיו של דייסרות' לפרס, היו אלה שגילו בפעם הראשונה באצות חלבונים מיוחדים, אלו חלבונים שמגיבים לאור, כשהם קולטים אור נוצר בהם שינוי מבני שגורם לפתיחת תעלה שמכניסה נתרן לתוך האצה החד-תאית. זרם הנתרן משנה במהירות את מתח האצה ומפעיל תהליכים שגרמו לה לפנות לעבר האור ולנוע לכיוונו. למשפחת החלבונים הללו קראו צ'נל רודופסין (channelrhodopsin) שם שמשלב בין הרגישות לאור לבין התעלה שמאפשרת את התגובה החשמלית.

אלא שזרם נתרן שנכנס לתוך התאים הוא דבר משמעותי מאוד במדעי המוח. זהו השלב הראשון ביצירת פוטנציאל הפעולה, הפולס החשמלי שמייצרים תאי העצב שהוא אולי החלק המרכזי של פעילותם. כשקרל דייסרות' שמע על גילוי הצ'נלרודופסין, הוא התרגש והסתקרן. דייסרות' חלם שנים רבות על כלי טוב שיוכל לעזור לנו לשלוט בפעילות של תאי עצב במוח, הוא פנה לנגל, ביקש ממנו את הדנ"א של החלבון, ולאחר עבודה מורכבת הוא הצליח לבטא באמצעים גנטיים את החלבונים על תאי עצב של חולדה.

כשדייסרות' הכניס סיב אופטי לתוך המוח של החולדה והפעיל אותו, החלבונים פעלו וגרמו לתאי העצב שביטאו אותם לירות פולסים חשמליים. כלומר, הם פעלו כמו מפסק: יש אור? התאים פועלים. אין אור? הם לא. ככה היה אפשר לשלוט בתאים ולהפעיל ולכבות אותם כרצוננו. השיטות המתקדמות של הנדסה גנטית אפשרו לדייסרות' גם בפעם הראשונה לבטא את החלבונים רק באוכלוסית תאים קטנה, ובכך להפעיל רק אותה, ולהבין באופן הרבה יותר נקודתי מה התאים עושים.

וזה עבד, כשהחוקרים ביטאו את החלבונים לאוכלוסיית תאים קטנה שחשובה לערות, הם הצליחו לגרום לעכברים ישנים להתעורר מיד כשהדליקו את האור בסיב האופטי. בהמשך כשהם ביטאו אותם לאזורים שקשורים לתנועה, הם הצליחו לשלוט בתנועת החולדה באמצעות אור. השיטה זכתה לשם אופטוגנטיקה, שם ששילב בין האור אליו רגישים החלבונים, לבין השיטות הגנטיות שמשמשות לבטא אותם בתאי העצב.

התגלית גרמה לרעידת אדמה עצומה בקהילת חוקרי המוח, רבים עטו על השיטה והחלו להשתמש בה. חוקרים הצליחו מאז לבצע דברים שהיה אפשר רק לדמיין. הם גרמו לעכברים שבעים לרוץ ולחפש אוכל כשהפעילו את התאים שאחראים לרעב. גרמו לעכברים לעבור בין שלבי השינה. ואפילו הפעילו, מחקו והשתילו זכרונות רק על ידי הפעלת תאים שאחראים לשמירת הזיכרון שלנו, ממש מדע בדיוני.

המטרה המקורית של דייסרות' הייתה שאופטוגנטיקה תהפוך להיות גם כלי טיפולי, והממצאים כיום מראים שאנחנו בדרך לשם. שכששולטים עם אופטוגנטיקה באוכלוסית תאים באמיגדלה שנחשדה כקשורה לחרדה, הצליחו לבטל וליצור אפקטים של חרדה במכרסמים. מחקר אחר הצליח באמצעות אופטוגנטיקה לזהות מתי חיות מודל לאפילפסיה עומדות לעבור התקף אפילפטי ולדכא אותו לחלוטין.

אמנם המחקרים האלה התרחשו רק בעכברים, בעיקר משום שהמעבר למוח האנושי מציב אתגרים משמעותיים של בטיחות כמו גם אתגרים טכניים. עם זאת, יש כבר מחקרים ראשונים בבני אדם, אולי המרשים שבהם התרחש ב-2021, אז חלבונים אופטוגנטיים בוטאו בתאי רשתית של אדם עיוור, ואפשרו לו, ולו במידת מה, לקבל את ראייתו בחזרה. בהחלט סביר שבעתיד, אולי אפילו בעתיד הקרוב, נראה את האופטוגנטיקה הופכת לכלי של ממש שעוזר לטיפול במחלות מוח, בפרט כשהיום כבר יש פיתוחים שמאפשרים לשלוט בתאים ללא הסיבים האופטיים המסורבלים.

ודייסרות'? גם אם כבר בתחילת העשור הקודם היה ברור שהוא הולך לזכות בנובל, הוא ממש לא קפא על שמריו, ומפתח שיטות מתקדמות נוספות, אחת מהם מאפשרת להפוך את המוח לשקוף כדי ללמוד אותו לעומק, אחרת מחברת בין הגנים שתאים מבטאים לבין המיקום שלהם ברקמה. והאמת, שאם יום אחד, בעוד כמה שנים מהיום, הטלפון של דייסרות' יצלצל שוב, ועל הצג יופיע מספר לא מזוהה משבדיה שיבשר לו על זכייה בנובל נוסף, אל תהיו מופתעים.

הצטרפו לרשימת התפוצה של הבלוג וקבלו את התכנים ישירות למייל