מערכת חדשנית לצפייה בפעילות תאי העצב בתלת ממד

המחשה של המיקרוסקופ אשר נבנה במעבדה. על ידי שימוש בטכניקה מתקדמת, הנקראת מיקוד זמני, ניתן לדמות ביעילות ובמהירות איזורים גדולים בתרבית. כל נקודה בתרבית מצולמת 10 פעמים בשניה, מהירות המאפשרת לזהות כל שינוי בפעילות התאים.

פריצת הדרך תאפשר הבנה של אופן פעילותן של רשתות מורכבות של תאי מוח באמצעות שימוש בתרביות ה”אופטונט”.

רשתות תאי מוח הגדלות על מצע גידול בצלחות מעבדה (תרביות תאים דו ממדיות) מהוות מודל נוח למחקרים רבים בתחום מדעי המוח והרפואה. יתרונן הגדול הוא בפשטות היחסית בה ניתן לבדוק שינויים פיזיולוגיים בדפוסי פעילות התאים, הנובעים משינויים בסביבתם. עם זאת, חסרונן של תרביות התאים הינו בכך שהינן מורכבות משכבה אחת של תאים, ואינן כוללות את החיבוריות המורכבת, התלת מימדית, של תאי מוח הנמצאים בגוף האדם והיוצרים בה רשתות עצביות מורכבות. ניסיונות קודמים לפיתוח מודלים תלת ממדיים לחקר מערכת העצבים המרכזית לא נחלו הצלחה רבה, הן בשל המורכבות הגבוהה של פיתוח תרבית תלת ממדית המדמה את ריקמה המח והן בשל האתגר שבפיתוח שיטות לחקר פעילות הרשת בתלת ממד. עתה הצליחו חוקרי הטכניון לפתח לראשונה רשתות תאים תלת מימדיות המדמות היבטים מורכבים של פעילות המוח, דבר שיאפשר הבנה והשפעה על הפיזיולוגיה של מערכת העצבים המרכזית. כך מפרסם כתב העת המדעי היוקרתי Nature Communications.

עורך כתב העת מציין כי רשתות עצביות תלת מימדיות מהוות מודל מבטיח של רקמות עצביות מורכבות, העשויות להוביל להבנת המבנה והתפקוד של המוח. בנוסף, חוקרי הטכניון מציגים שיטה מתקדמת לצפייה בפעילות העצבית של התרבית המהונדסת באמצעות מערכת מיקרוסקופיה מהירה שפיתחו.

פרופסור שי שהם מהפקולטה להנדסה ביורפואית בטכניון, וצוות המחקר שכלל את ד”ר הוד דנה, ד”ר ענת מרום, שיר פלוך, רומן דבורקין וד”ר ענבר ברוש, מסבירים כי גידלו את התרביות המתקדמות  בתוך ג’ל שקוף המספק תמיכה לתאים ומאפשר להם להיקשר וליצור רשתות עצביות.”על ידי שליטה בתנאי גידול התאים הגענו לצפיפות והרכב תאים הדומה לזה המצוי במוח האדם, וכן הראינו יצירה והתפתחות של קישורים בין התאים וקבלת רשתות המקיימות פעילות עצבית”, מציינת ד”ר מרום. בכדי לאפשר את חקר פעילות הרשת בתלת ממד נעשה שימוש בכלים אופטיים: תאי העצב בתרביות הללו שונו גנטית כך שניתן לראות את פעילות הרשת במיקרוסקופ פלורסנצנטי, ומכאן נגזר הכינוי “אופטונט”.

כדי לצפות בפעילות התאים בתלת מימד, פיתחו החוקרים מערכת הדמיה מתקדמת המיישמת טכניקת “מיקוד זמני” – עיקרון מעולם האופטיקה הלא לינארית שפותח לפני כעשור במכון וייצמן. “מערכת ההדמיה שפיתחנו מהווה צעד משמעותי בשיפור היכולת המחקרית לצפות בפעילותם של תאי מוח מרובים במרחב ובזמן ומכך להסיק מסקנות על פעילות המוח” מסביר ד”ר דנה.

“באמצעות פיתוחים משלימים במיקרוסקופיה ובהנדסת רקמות עצביות, הראינו יכולת חסרת תקדים לצפות בלמעלה מאלף תאים מתפתחים ברשתות עצביות בעלות דפוסי פעילות עצמית מורכבים. החידושים הללו פותחים צוהר לפיתוחים נוספים בתחום הממשקים העצביים וליישומים נוספים לרשתות תלת מימדיות מהונדסות, בטווח שבין מחקר מח בסיסי ועד בחינה של השפעת תרופות נוירולוגיות על פעילות תאי העצב” מסכם פרופ’ שהם.

בתמונה בעמוד הבית: תאי מוח הגדלים בתרבית וכן את שלוחות התאים היוצרות חיבוריות מורכבת ביניהם.

סרטון המתאר את פעילות התרבית שפיתחו החוקרים. בסרט רואים חלק מהתרבית ובו כ-1000 תאים, לאחר מכן מתמקדים על איזור קטן ובו פעילות מסונכרנת של קבוצת תאים (זהו אחד ממאפייני הפעילות הייחודיים שמצאנו במחקר זה). השינוי בצבע התאים מסמן את הפעילות שלהם.