Yearly Archives: 2020

קבוצת חוקרים בין-לאומית מישראל ומסקוטלנד מדווחת במגזין המדעי היוקרתי Nature Cancer על פריצת דרך העשויה להשפיע על הטיפול בהתפשטות לוקמיה למוח. בקבוצה שותפים חוקרים מהמערך ההמטולוגי-אונקולוגי במרכז שניידר לרפואת ילדים ואוניברסיטת ת”א, מהטכניון ומאוניברסיטת גלאזגו.

המחקר האמור מתמקד בלוקמיה לימפובלסטית חריפה – הסרטן הנפוץ ביותר בילדים. אף שאחוזי ההחלמה ממחלה זו גבוהים יחסית, הטיפול קשה ומלווה בתופעות לוואי רבות, העשויות להופיע שנים לאחר ההחלמה.

מאחר שאחת הסכנות הגדולות במחלה זו היא התפשטות של גרורות למוח, ילדים המאובחנים כחולים בלוקמיה לימפובלסטית חריפה מקבלים טיפול מונע המגן על המוח מגרורות כאלה. כיום מבוסס טיפול זה על הזרקה של תרופות כימותרפיות לנוזל השדרה, ולעתים גם על הקרנות לגולגולת, וגם כאן קיימת בעיה של תופעות לוואי. אלה נובעות מפגיעה בתפקוד המוח מכיוון שאותן תרופות כימותרפיות פוגעות גם בתאי מוח בריאים. זה הרקע למאמץ הכלל-עולמי לפתח טיפולים סלקטיביים יותר, שיפגעו בתאי הלוקמיה בלבד ולא בתאי המוח. במחקר הנוכחי התברר לראשונה כי הפתרון טמון בחומצות שומן.

חומצות שומן הן משאב חיוני לתא, וגם תאי הלוקמיה זקוקים להן. במח העצם ובדם מוצאים תאי הלוקמיה מספיק חומצות שומן, אולם כאשר הם נודדים למוח בתהליך הגרורתי הם מגיעים לאזור דל מאד בחומצות שומן. כדי להמשיך להתקיים ולשגשג שם, כך מתברר במחקר שהתפרסם כעת, הם פיתחו יכולת לייצר בעצמם את חומצות השומן האמורות.

על סמך תובנות אלה העריכו החוקרים כי טיפול בתרופות הבולמות יצירת חומצות שומן ימנעו מתאי הלוקמיה לייצר חומצות אלה וכך “ירעיבו” אותם ולא יאפשרו להם לשגשג במוח. ואכן, שימוש בתרופות כאלה בעכברים בלם את התפתחות הלוקמיה הגרורתית במוח.

התרופות ששימשו במחקר הנוכחי הן תרופות הנמצאות בפיתוח ולכן עדיין אינן מאושרות לשימוש בבני אדם; עם זאת, ממצאי המחקר פותחים צוהר חדש לטיפול מדויק יותר, וככל הנראה פחות רעיל, שימנע התפשטות לוקמיה למוח.

המאמר הוא פרי שיתוף פעולה בין קבוצות מחקר של שלושה חוקרים ובוצע על ידי שלוש חוקרות צעירות: ד”ר אנג’לה מריה סבינו ממעבדתו של פרופ’ שי יזרעאלי מהמערך להמטואונקולוגיה ילדים במרכז שניידר לרפואת ילדים מקבוצת כללית והמחלקה לגנטיקה מולקולרית וביוכימיה בפקולטה לרפואה באוניברסיטת תל אביב, הדוקטורנטית שרה איזבל פרננדס ממעבדתו של פרופ’ אייל גוטליב ממכון המחקר רפפורט ומהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט בטכניון וד”ר אוריאן אוליבאריס ממעבדתה של ד”ר קריסטין הלסי מאוניברסיטת גלאזגו. חלק מסוים של המחקר בוצע במעבדה של פרופ’ מייקל חרס בבית החולים לסרטן סלואון קטרינג בניו יורק.

ממצאי המחקר רלוונטיים לא רק ללוקמיה לימפובלסטית חריפה אלא גם לסוגי סרטן אחרים בילדים ומבוגרים כאחד. זאת משום שרוב התמותה מסרטן אינה נגרמת מהגידול הראשוני אלא מהתפשטות גרורות לאיברים מרוחקים. המחקר הנוכחי, המצביע על הסתגלותם של תאי הסרטן לאיברים שאליהם מתפשטות הגרורות, סולל דרך לטיפולים ביולוגיים שיחסמו את מנגנוני ההסתגלות האמורים וכך יבלמו את ההתפשטות הגרורתית.

המחקר נתמך על ידי המדען הראשי במשרד המדע והטכנולוגיה, הקרן האיטלקית לחקר הסרטן (FIRC),  קרן וויליאם ואליזבת דייוויס, קרן לורה ואייק פרלמוטר, קרן גרמניה-ישראל, קרן נורמן וסיידי לי, הקרן הלאומית למדע, האיחוד האירופי (ERA NET TRASCALL program), הקרן לחקר הסרטן בישראל ו-Cancer Research UK.

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement META-CAN No 766214.

המדד בחן את מספר בוגרי התואר הראשון שהפכו ליזמים והקימו חברות הזנק בין 1 בינואר 2006 ל-31 באוגוסט 2020. בתקופה זו הקימו 602 מבוגרי הטכניון 509 חברות שגייסו סכום כולל של 12.4 מיליארד דולר.

בראש הרשימה העולמית ניצבת אוניברסיטת סטנפורד ובמקום הראשון בישראל אוניברסיטת תל אביב.

מיום הקמתו חרת הטכניון על דגלו את השילוב בין מדע בסיסי ומחקר יישומי, וקורס היזמות הראשון בטכניון נוסד לפני יותר משלושה עשורים על ידי פרופ’-מחקר דן שכטמן, לימים חתן פרס נובל בכימיה.

בוגרי הטכניון אחראים במידה רבה ליצירתה של “אומת הסטארטאפ” הישראלית. על פי מחקר של מוסד נאמן, בתוך 20 שנה (מ-1995) הקימו בוגרי הטכניון יותר מ-1,600 חברות שהניבו יותר מ-30 מיליארד דולר וייצרו כמעט 100 אלף מקומות עבודה.

בשנים האחרונות הרחיב הטכניון והעמיק את לימודי היזמות לסטודנטים בתואר ראשון. קדמה לכך עבודת מחקר נרחבת במסגרת מוסד נאמן, שהובילה למסמך “יזמות בטכניון – מסמך רקע לגיבוש מדיניות טכניונית” ולפרסומים נוספים שהציגו מתווה לחינוך יזמי משמעותי בטכניון.

בנובמבר 2018 זכה הטכניון במענק של 10 מיליון ש”ח בתחרות “חזון הקמפוס החדש” של ות”ת ומל”ג לקידום היזמות והחדשנות. מענק זה האיץ את הקמת t-hub – מרכז היזמות והחדשנות של הטכניון, הפועל בשיתוף פעולה עם התעשייה ומקנה כלים לחשיבה יזמית ויצירתית לקהילת הטכניון.

השנה משיק הטכניון את תוכנית מנהיגי שוליך ליזמות שתקבל 15 סטודנטים חדשים בכל שנה. התוכנית תעניק לסטודנטים תמיכה כלכלית משמעותית והעשרה אקדמית ומעשית במנהיגות וביזמות.

למדד PitchBook, לחצו כאן

*התמונות צולמו בהאקתון T-HACK שהתקיים במרץ 2019

הטכניון קיים בית ספר קיץ בנושא מבוא למחשוב קוונטי מעשי – קורס מרוכז במתכונת מקוונת, בהשתתפות כ-250 איש. הקורס חשף את המשתתפים ליסודות התאוריה של תורת המחשוב הקוונטי וכלל קורס מעשי בתכנות על מחשב קוונטי זעיר של IBM. ‎

בשנים האחרונות עבר המחשוב הקוונטי אבולוציה דרמטית והפך מתחום מחקר אקדמי טהור לטכנולוגיה בהתהוות. כעת, כשברור שהמחשוב הקוונטי צפוי להפוך לתחום מרכזי בעתיד המחשוב, זימן בית הספר למחשוב קוונטי בטכניון הזדמנות לכל מי שמעוניין להיכנס לעולם מאתגר זה ולקחת חלק במהפכת המחשוב הקוונטי.

לדברי מארגני הקורס, חברות ענק כמו אמזון, מרצדס ו- ,Pfizerכמו גם בתי השקעות גדולים, בונים היום את התשתית שתאפשר להן להיות ערוכים לעתיד הקוונטי. הטכניון, כמוסד מוביל במדע ובטכנולוגיה, מעודד את הסטודנטים לתואר ראשון ללמוד מחשוב קוונטי כדי לספק את הדרישה של תעשיות ההייטק בשנים הקרובות וכן להמשיך לתארים מתקדמים ולהיכנס למחקר בתחום מלהיב וחלוצי זה.

“מחשבים קוונטיים הם הבטחה גדולה הצפויה לחולל מהפכה בעולם המחשוב,” אומר ד”ר נתנאל לינדנר, העומד בראש בית הספר. “במשימות מסוימות הם צפויים להוביל לקפיצת מדרגה איכותית יחסית למחשבים המוכרים לנו. אף שעדיין איננו יכולים לחזות את היקף השפעתם של המחשבים הקוונטים, יש בקהילה המדעית תמימות דעים שהשפעתם על המחקר, התעשייה והעסקים תהיה עצומה.”

בית הספר התקיים במסגרת מרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר בטכניון ובתמיכתו הנדיבה של רוברט מגיד, התומך זה שנים בפעילות הקוונטום בטכניון. לדברי ראש המרכז פרופ’ יוסי אברון, “המחשבים הקוונטיים הקיימים עדיין נמצאים בחיתוליהם ואין להם שימושים פרקטיים. הם משמשים פלטפורמה למשחקים של מדעני מחשוב קוונטים ומזכירים את הסנוניות של עולם המחשוב, כמו משחק המחשב של אטארי שהקדים את המחשבים האישיים הראשונים.”

את החלק המעשי של הקורס, שנועד להכשיר את המשתתפים ולהעניק להם את הידע הנדרש לכתיבת תוכנה המפעילה מחשבים קוונטיים, העבירו הדוקטורנטית תסנים ותד וד”ר יוסי ווינשטיין. לדברי ותד, “התוכנה האמורה מאפשרת לממש מגוון רחב של אפליקציות, ניסויים ואלגוריתמים קוונטיים, והקורס העניק למשתתפים הזדמנות לחקור ולגלות בעצמם מה הן האפשרויות הגלומות בעולם המחשוב הקוונטי. המשתתפים בחלק המעשי למדו להשתמש בממשק הגרפי של  IBMהזמין כממשק Web browser. ממשק ידידותי זה מאפשר למשתמש לבנות מעגלים קוונטיים בצורה גרפית ולהריץ אותם מרחוק על גבי המחשבים הקוונטיים של IBM. ‎‎בנוסף הועברו תרגולים מעמיקים על השימוש בספרייה הנקראת Qiskit שפותחה גם היא על ידיIBM . ספרייה זו כתובה בשפת Python  והיא כוללת כלים ופונקציות מובנות המשמשות לבניית מעגלים קוונטיים מורכבים. הספרייה מכילה מגוון גדול של אלגוריתמים קוונטיים שלמים. אחת הדוגמאות המעניינות הנמצאות בספרייה היא אלגוריתם חדש יחסית לחישוב מצבי יסוד של מולקולות על ידי חישוב משולב על גבי המחשב הקלאסי והמחשב הקוונטי”.

חוקרים בטכניון פיתחו שיטה חדשנית, בעלת דיוק גבוה, לאבחון קורונה ללא צורך בהגברת PCR. בשיטה זו מזוהה נוכחותו של נגיף SARS-CoV-2 בדגימה על סמך ספירה וכימות של מולקולות אר-אן-איי בודדות.

פרופ’ עמית מלר

את המחקר שהתפרסם בכתב העת ACS Nano הובילו פרופ’ עמית מלר והפוסט-דוקטורנטית ד”ר יאנה רוזבסקי והשתתפו בו ד”ר טל גלבוע, ד”ר קסנדר ון קוטן וד”ר דיאנה הוטנר – כולם חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון – ופרופ’ אולריקה שטיין ממרכז מקס דלברוק לרפואה מולקולרית ומבית החולים שריטה בברלין.

בדיקת RT-qPCR, שהיא הבדיקה הנהוגה כיום באבחון Covid-19, מבוססת על שורה של שלבי הכנה ובהם איסוף הדגימה מהנבדק באמצעות מטוש, “פתיחה” של הנגיף כדי לחשוף את החומר הגנטי שבתוכו ומיצוי החומר הגנטי של האר-אן-איי. לאחר מכן מגיע שלב ה-RT, ובעברית “שעתוק לאחור”, שבו מתורגמים רצפי האר-אן-איי לרצפי די-אן-איי, ואחריו שלב ה-PCR (“הגברה מעריכית”) שמכפיל שוב ושוב את מולקולות הדי-אן-איי כדי להגיע לכמות המאפשרת דגימה שלהן בתמיסה וקביעה אם אכן מדובר בדי-אן-איי של SARS-CoV-2.

בדיקת RT-qPCR היא תהליך ממושך המצריך חומרים מיוחדים (ריאגנטים), ציוד מעבדה יקר ואנשי מקצוע מנוסים. יתר על כן, מחקרים שנערכו לאחרונה מעידים כי תוצאות הבדיקה עשויות להשתנות מיום ליום וכי בתהליך ההגברה המאסיבי עלולות להיווצר טעויות משמעותיות. זה הרקע למאמץ הכלל עולמי לפיתוח שיטות מהירות, זולות ומדויקות יותר. זהו אתגר מורכב מאוד כשלעצמו, והוא מורכב במיוחד כאשר מולקולות הנגיף מועטות ואינן תופסות חלק משמעותי בדגימה.

שיטת האבחון החדשנית שמציגה קבוצת המחקר של פרופ’ מלר במאמר מבוססת על טכנולוגיה מקורית שהוא מפתח בעשור האחרון, טכנולוגיה שיעילותה כבר הודגמה בהקשרים רבים אחרים. מטרתה: single-molecule sensing, כלומר אבחון קליני על סמך אנליזה של מולקולות ביולוגיות בודדות, ללא צורך בדגימות גדולות המכילות העתקים רבים של אותה מולקולה. טכנולוגיה זו, שפותחה בין השאר לצורך אבחון תאי סרטן על סמך סמנים ביולוגיים, מבוססת על משיכת מולקולות ביולוגיות כגון די-אן-איי, באמצעות שדה חשמלי, לתוך חור ננומטרי המכיל חיישנים חשמליים או אופטיים. הפלט האלקטרוני עובר ניתוח חישובי המאפשר זיהוי וספירה ישירה ומיידית של המולקולות. גישה זו פותחת אפשרות למזעור מערכות החישה המולקולריות תוך שיפור הדיוק והאמינות של הבדיקות והרחבתן למקרים שבהם הגברת ה-PCR אינה יעילה או שהיא פוגעת במהימנות הבדיקה.

ד”ר יאנה רוזבסקי

המאמר הנוכחי מציג יישומים של שיטה זו בשני הקשרים: איתור מולקולות אר-אן-איי המדווחות על היווצרות סרטן גרורתי ואבחון קורונה. בשני המקרים פיתחו החוקרים תהליך לפירוק אנזימטי של כל מולקולות הרקע מלבד מולקולות המטרה הרלוונטיות.  בהקשר הראשון הדגימו החוקרים את פוטנציאל השיטה לטובת גילוי מוקדם של סרטן גרורתי, וזאת על ידי כימות עוצמת ההתבטאות של MACC1 – אחד הגנים החיוניים למעבר למצב גרורתי. הודות לרגישותה הרבה הצליחה הטכניקה החדשה לכמת את התבטאות הגן במדויק בתאים סרטניים מתחילת המחלה – אתגר שטכנולוגיות מבוססות PCR  כשלו בו. למותר לציין שככל שהסמנים הגנטיים של מחלת הסרטן מתגלים בשלב מוקדם יותר, סיכויי הצלחת הטיפול גדלים מאוד.

בהקשר השני החוקרים כימתו באותה שיטה את מולקולות האר-אן-איי של נגיף SARS-CoV-2. השיטה המוצגת במאמר, RT-qNP, אינה השיטה הראשונה לאנליזה של מולקולה בודדת, אולם בניגוד לקודמותיה היא מייתרת תהליכים מקדימים המכניסים “רעש” וחוסר דיוק למערכת. שניים מתהליכים “מרעישים” אלה הם טיהור הדגימה, המוביל לאובדן של רוב הסמנים הביולוגיים המשמעותיים, והגברה של מולקולות הדי-אן-איי המובילה כאמור לשגיאות ולאבחון שגוי.
לדברי פרופ’ מלר, “השיטה שלנו מאפשרת חישה כמותית של הביטוי הגנטי של המולקולה באמצעות התקן מבוסס ננו-חיישנים פשוט יחסית, ללא צורך בטיהור הדגימה וללא צורך בהגברה – תהליכים הפוגעים ברגישות הבדיקה ובמהימנותה. כפי שהראינו, הטכנולוגיה שלנו משמרת במשך כל התהליך את רמת הביטוי הגנטי של מולקולות האר-אן-איי המקוריות. כך מושגת אנליזה מדויקת יותר, החיונית בשני ההקשרים הנדונים – סרטן גרורתי ונגיף SARS-CoV-2.”

עבור קבוצת המחקר של פרופ’ מלר, המאמר הנוכחי הוא ציון דרך חשוב מאוד אולם אינו סוף פסוק. מערכת החישה המבוססת ננו-חרירים עתידה להפוך להתקן נייד ולייתר את השימוש בציוד מעבדתי מסורבל. המחקר ממשיך לאפיקים טכנולוגיים וקליניים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון תוך שיתוף פעולה עם בנק הדגימות (biobank) בקריה הרפואית רמב”ם. בה בעת נעשים צעדים למסחור הטכנולוגיה כדי להביאה בהקדם האפשרי לשימוש רחב.

ד”ר דיאנה הוטנר

ד”ר קסנדר ון קוטן

המחקר נתמך על ידי האיחוד האירופי (מענק ERC במסגרת תוכנית Horizon 2020 של הנציבות האירופית למחקר באיחוד האירופי), קרן המדע הלאומית (ISF) ותוכנית SignGene התומכת במשתלמים לדוקטורט.

למאמר במגזין ACS NANO  לחצו כאן

ד”ר דניאל סודרי

תוכנית “הכוכבים העולים” של אינטל העולמית בחרה בעשרה חברי סגל הצפויים לפתח טכנולוגיות מחשוב חדשות. חוקרים אלה מפתחים כבר כיום טכנולוגיות חדשניות בתחומים מגוונים – ממחשוב ענן, דרך פלטפורמות מחשוב והתקני זיכרון הפועלים בהספק נמוך במיוחד, ועד מערכות בינה מלאכותית הלומדות תוך כדי תנועה.

התוכנית מטפחת אקדמאים הצפויים להפוך למנהיגי העתיד בטכנולוגיות מחשוב פורצות דרך ותומכת גם בשיתופי פעולה ארוכי טווח עם אנשי מפתח בתחום הטכני באינטל. החוקרים נבחרו  על סמך מחקר מתמשך במדעי המחשב, בהנדסה ובמדעי החברה כדי לתמוך במהפכה הדיגיטלית העולמית בתחומים הבאים: תוכנה, אבטחה, ענן, זיכרון, ארכיטקטורה ועיבוד.

ד”ר דניאל סודרי נבחר לרשימה היוקרתית לנוכח הישגיו הנוגעים לאתגרי הליבה בייעול הלמידה העמוקה במונחים של משאבי מחשוב. המודלים שפיתח מאפשרים להפיק מרשתות נוירונים ביצועים טובים ללא צורך בדיוק נומרי גבוה, וכך סוללים את הדרך לצמצום שטח הצ’יפ, לצמצום הזיכרון הנדרש לאחסון רשת הנוירונים ולשיפור משמעותי בניצולת האנרגטית.

ד”ר סודרי השלים את כל תאריו בטכניון – תואר ראשון (בהצטיינות יתרה) בהנדסת חשמל ובפיזיקה ודוקטורט במסלול ישיר במרכז לחקר רשתות ביולוגיות בהנחיית פרופ’ רון מאיר. הוא הצטרף לסגל הפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי באוקטובר 2017 אחרי פוסט-דוקטורט באוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, שם עסק בקשרים בין מדעי המוח ללמידה חישובית.

ד”ר סודרי, עמית קתדרת טאוב למנהיגים במדע וטכנולוגיה, זכה במענק AI GRANT, בפרס גולדברג על תרומה לתעשייה הישראלית, במלגת Gruss Lipper, במלגת Technion-MIT ועוד.

בעבודתו המחקרית משלב ד”ר סודרי תאוריה ופרקטיקה בספקטרום רחב של תחומים ובהם למידה

עמוקה ((Deep learning, מערכות לומדות, למידה חישובית ומדעי המוח. למחקריו השלכות יישומיות רבות ומגוונות ובהן זיהוי עצמים בתמונות, זיהוי דיבור, ניבוי התפשטות מגפות ושיפור ביצועים של טלפונים סלולריים.

ד”ר סודרי הוא היחיד ברשימה מאוניברסיטה מחוץ לארה”ב. שאר חברי הסגל ברשימה הם מאוניברסיטאות אמריקאיות מובילות: קורנל, ג’ורג’יה טק, סטנפורד, אוניברסיטת קליפורניה סן דייגו, אוניברסיטת אילינוי באורבנה שמפיין, אוניברסיטת מישיגן, אוניברסיטת פנסילבניה, אוניברסיטת טקסס באוסטין ואוניברסיטת וושינגטון.

כיצד אנו לומדים מיומנויות חדשות כגון צעדי ריקוד חדשים, חבטה בכדור, קליעה לסל או כתיבה? אחד המנגנונים החשובים בלמידה ובשיפור מיומנויות הוא למידה באמצעות חיזוקים – Reinforcement Learning.

למידה באמצעות חיזוקים מבוססת על משובים חיוביים ושליליים המאפשרים שיפור מתמיד. מנגנון הישרדותי חשוב זה, שהתפתח ביונקים במהלך האבולוציה, מהווה השראה עבור מהנדסים היוצרים מערכות מלאכותיות לומדות המשפרות את ביצועיהן באופן אוטומטי על סמך המשוב שהן מקבלות על פעולות קודמות שלהן.

צוות בין-תחומי של חוקרי הטכניון מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט ומהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי חקר את התהליך המוחי המתרחש בבעלי חיים בלמידה באמצעות חיזוקים. את המחקר שהתפרסם בכתב העת Neuron הובילו פרופ’ ג’קי שילר, פרופ’ עמרי ברק והדוקטורנטים שחר לוי ומריה לבזין מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט, פרופ’ רונן טלמון ופרופ’ רון מאיר מהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי וד”ר הדס בן איסטי, פוסט-דוקטורנטית בהנחיה משותפת של פרופ’ שילר ופרופ’ טלמון.

החוקרים הצליחו למפות מנגנון של משוב מוחי המסייע ליונקים לשפר את מיומנויותיהם בפעולות מוטוריות המצריכות תנועות ידיים עדינות ומורכבות. באמצעות דימות וכלים גנטיים, התנהגותיים וחישוביים חקרו החוקרים את המנגנונים המוחיים המאפשרים לעכבר ללמוד תנועה מורכבת בגפה הקדמית.

לפני העכבר הונחו פיסות מזון על מגש מסתובב, והעכבר נדרש ללמוד לתפוס אותן ולהביאן לפיו כדי לאכול אותן – בדומה לילד קטן הלומד לאכול בידיים. כדי לרכוש מיומנות זו נדרשת למידה של תנועה מורכבת, והעכבר מצליח רק בכמחצית מהניסיונות גם לאחר שהוא נהיה “מומחה”. החוקרים גילו כי תהליך הלמידה, המאפשר לעכבר לשפר את תנועות הידיים שלו מניסיון לניסיון, קשור לתיעוד של הצלחות וכישלונות. לתיעוד זה אחראיות שתי אוכלוסיות נוירונים שונות וייחודיות השוכנות בקליפת המוח המוטורית – “נוירוני הצלחה” ו”נוירוני כישלון”.

לדברי פרופ’ שילר, “נוירוני ההצלחה והכישלון” אינם מתעדים כל תנועה בנפרד, וגם לא את התגמול עצמו (האוכל), אלא הם משקללים את מכלול הפעולה וזוכרים אם החיה הצליחה או נכשלה בהשגת המטרה (end result) – השגת המזון, במקרה זה. ממצאי המחקר מצביעים על כך שהפעולה החישובית שהנוירונים האמורים מבצעים במוחם היא פעולה מורכבת המשקפת ייצוג מנטלי גבוה ולא רק ייצוג של התנועה או של התגמול לבדם.

החוקרים גילו כי ניסיונותיו של העכבר ללמוד תנועה חדשה (motor learning) מטביעים במוחו עקבות של כישלון והצלחה, ועקבות אלה מצטברות לכדי זיכרון מוטורי המאפשר לו להשתפר מניסיון לניסיון. הפעילות המוחית של הצלחה וכישלון מתרחשת בשכבות השונות של קליפת המוח, הקורטקס. בתחילה היא מחושבת בשכבה החיצונית יותר של קליפת המוח המוטורית, ואז היא נשמרת ומועברת לרשת העצבית בשכבות העמוקות יותר של קליפת המוח, שם מנוסחות פקודות התנועה הבאה.

גילויים של “נוירוני ההצלחה והכישלון” הוא צעד ראשון וחשוב בהבנה של המתרחש בקליפת המוח בשעת למידה באמצעות חיזוקים. עם זאת, אומרים החוקרים, עדיין רב הנסתר על הגלוי. “בעתיד נרצה לגלות, לדוגמה, מהם המסלולים המוחיים המשתתפים בהפעלת תאים אלה וכיצד אפשר להשתמש באותות אלה, בשילוב עם ממשקי מכונה-מוח, לשיפור התנועה בחולים, כגון חולי פרקינסון.”

בשל מורכבותם של יחסי הגומלין בין תנועה לפעילות מוחית הצריך המחקר הנוכחי שילוב בין שיטות ניסוי שונות בעת ובעונה אחת – מניפולציות התנהגותיות, משימות מורכבות של כף היד, מיפוי סידן בתאים והתערבות אופטוגנטית (הפעלה או דיכוי של תאי המוח על ידי אור). לשם כך חברו חוקרי הפקולטה לרפואה, שהובילו את הצד הניסויי, לחוקרים מהפקולטה להנדסת חשמל שהובילו את הצד החישובי. במחקר השתתף פרופ’ אדם הנטמן ממכון הווארד יוז בארצות הברית, שם שהתה פרופ’ שילר יחד עם תלמידתה ד”ר מריה לבזין והגתה את הפרויקט. במחקר תמכו תוכנית המחקר המשותפת ישראל-ארה”ב (BSF-NSF), רשויות הבריאות האמריקאיות (NIH), הקרן הלאומית (הישראלית) למדע (ISF), קרן אדליס ומרכז פרינס.

למאמר ב- Neuron

תמונה שהופקה במיקרוסקופ דו-פוטוני (TPEF): פעילות של תאי עצב בקליפת המוח המוטורית כפי שנרשמה במהלך ביצוע מטלה מוטורית. הפעילות מיוצגת בסקלה הנעה בין אדום, המייצג פעילות חשמלית גבוהה, לכחול המייצג פעילות נמוכה. תאים הנמצאים בשכבה העמוקה של קליפת המוח התנועתית )מימין, שכבה 5) הציגו פעילות הקשורה בעיקר לתנועה עצמה, ואילו תאים הנמצאים בשכבות החיצוניות יותר של קליפת המוח התנועתית (משמאל, שכבות 3-2) הציגו פעילות ייחודית המספקת משוב על ביצוע מוטורי מוצלח באמצעות “תאי הצלחה” ועל ביצוע מוטורי לא מוצלח באמצעות “תאי כישלון.”

הברכה “תכלה שנה וקללותיה, תחל שנה וברכותיה” מקבלת השנה משמעות מיוחדת – תפילה ותקווה להיעלמות הנגיף וחזרה לשגרה הישנה.

הימים האחרונים מציבים אותנו, שוב, אל מול פני מגפת הקורונה. עליה מדאיגה במספרי הנדבקים והחולים הביאה את מדינת ישראל לכדי סגר. ההשפעה של הסגר ושל אי הוודאות על חיינו האישיים, החברתיים והמקצועיים ניכרת, כמובן, גם בטכניון.

הסמסטר יפתח כמתוכנן בתאריך 21.10.2020. בפתיחת הסמסטר, הלמידה תתבצע באמצעים מקוונים בלבד. כל פעילות ההוראה תונגש באופן דיגיטאלי-סינכרוני ותוקלט, וההקלטות תעמודנה לרשות הלומדים והלומדות עד סוף הסמסטר. לשם כך נערכנו בחודשים האחרונים והשקענו משאבים ניכרים בזיווד כיתות הלימוד בקמפוס בציוד צילום מתקדם ובהכנתן לפתיחת הסמסטר.

חברת, ההזנק H₂PRO המפתחת טכנולוגיה חדשנית שהומצאה בטכניון לייצור מימן באמצעות אנרגיה ירוקה, עלתה לרשימת הפיינליסטיות בתחרות היוקרתית של חברת האנרגיה SHELL, והיא החברה הצעירה ביותר ברשימה והיחידה מישראל. במסגרת התחרות, הקרויה New Energy Challenge, נערכו כמה סבבי סינון וכעת הכריזו המארגנים על חמשת הפיינליסטים המיועדים להשקעה ולגמלון [הגדלה] (Ventures track: Scale-ups) ובהם H₂PRO.

הטכנולוגיה החדשנית של H₂PRO מבשרת עידן חדש בייצור מימן ירוק על ידי פיצול מים למימן וחמצן באמצעות אנרגיה חשמלית (אלקטרוליזה). באלקטרוליזה המסורתית מיוצרים המימן והחמצן בעת ובעונה אחת בסמיכות זה לזה – מצב מסוכן המצריך ממברנה המפרידה ביניהם. השימוש בממברנה מייקר משמעותית את המערכת ואת תפעולה. מימן ירוק הוא דלק חלופי לנפט וגז טבעי, ויש לו תפקיד קריטי בהקטנת פליטות מזהמים מתחבורה, ייצור חומרים וכימיקלים, חימום ואגירת אנרגיות מתחדשות.

הטכנולוגיה החדשה מייתרת את הממברנה משום ששני הגזים נוצרים בשלבים שונים. יתר על כן, טכנולוגיה זו מגדילה את ניצולת האנרגיה מסביבות 75% ל-95%, משפרת משמעותית את בטיחות התהליך, מפחיתה בכמחצית את ההוצאה ההונית לבניית המערכת ומגדילה את לחץ המימן הנוצר ובכך מצמצמת את המאמץ הנדרש לדחיסת הגז.

H₂PRO נוסדה ב-2019 על ידי חוקרי הטכניון פרופ’ גדעון גרדר (הנדסה כימית), פרופ’ אבנר רוטשילד וד”ר חן דותן (מדע והנדסה של חומרים), אליהם חברו מייסדי חברת Viber בראשות היזם טלמון מרקו. החברה קיבלה רישיון בלעדי למסחור הטכנולוגיה מ-³T, יחידת המסחור של מוסד הטכניון, ועד כה גייסה הון מהחברות יונדאי, סומיטומו ובזן, מקרנות וממשקיעים פרטיים. המחקר שהוביל להקמת H₂PRO  נתמך על ידי תכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד בטכניון (GTEP), תרומת אד סאטל, קרן אדליס, משרד האנרגיה והנציבות האירופית (תוכנית המסגרת 2020 של האיחוד האירופי). המחקר התבצע עם ד”ר אביגיל לנדמן, שהייתה סטודנטית משותפת של הפרופסורים רוטשילד וגרדר.

בתמונה מימין לשמאל: ד”ר חן דותן, פרופ’ אבנר רוטשילד, ד”ר אביגיל לנדמן ופרופ’ גדעון גרדר

כתב העת Physical Review X מדווח על פיתוחו של מָהוֹד אופטי, חסר תקדים ביכולות הההעצמה התהודתית שלו. את המהוד פיתח יעקב ח’יר-אלדין בזמן שהשתלם במעבדתו של פרופ’ טל כרמון.

מהוד (Resonator) הוא מתקן הכולא בתוכו גלים ומעצים אותם באמצעות החזרתם מדופן לדופן בתהליך הקרוי העצמה תהודתית (Resonance enhancement). כיום יש בעולם מהודים מתוחכמים ומשוכללים מסוגים שונים אך גם על מהודים פשוטים המוכרים לכולנו – למשל תיבת התהודה של גיטרה, המעצימה את הצלילים שמפיקים המיתרים, או גוף החלילית המעצים את הצלילים הנוצרים בפיית הכלי.

הגיטרה והחלילית הן מהודים אקוסטיים שבהם מהדהד הקול בין קירות המהוד. בפיזיקה קיימים גם מהודים אופטיים, למשל במכשירי לייזר. לדברי פרופ’ כרמון, מהוד הוא אחד המכשירים החשובים ביותר באופטיקה – “הוא הטרנזיסטור של האופטיקאים.”

מהודים מצריכים שתי מראות לפחות, אולם הם יכולים להכיל גם יותר משתיים – למשל שלוש מראות המחזירות את האור במסלול בצורת משולש, ארבע במרובע וכן הלאה. אפשר גם לסדר הרבה מראות בצורה כמעט מעגלית כך שהאור מסתובב בצורה כמעט מעגלית, וככל שנגדיל את מספר המראות בטבעת האמורה נתקרב למבנה של מעגל מושלם.

אבל זה אינו סוף פסוק, שכן הטבעת מגבילה את תנועת האור למישור יחיד. הפתרון הוא כמובן מבנה כדורי, המאפשר לאור להסתובב בכל המישורים העוברים דרך מרכז המעגל, בלי קשר להטייתם, כלומר במרחב התלת-ממדי.

כעת אנו עוברים מהפיזיקה להנדסה: כיצד לייצר מהוד שהוא כדור נקי, חלק ומדויק ככל האפשר, שהאור יסתובב בתוכו פעמים רבות ככל האפשר וכך יועצם באופן המרבי? אתגר זה העסיק קבוצות מחקר רבות והניב בין השאר מהוד זכוכית זעיר בצורת כדור או טבעת, המוחזק ליד סיב האופטי מדוקק שמצמד לתוכו את האור. דוגמה לכך הציג פרופ’ טל כרמון לפני שנתיים בכתב העת Nature.

אולם גם מהוד הזכוכית הכדורי אינו סוף פסוק, שכן נקודת החיבור שלו לסיב האופטי יוצרת עיוות בצורתו הכדורית. מכאן נולדה השאיפה לייצר מהוד מרחף – מהוד שאינו מוחזק על ידי שום עצם חומרי.

המיקרו-מהוד הראשון בעולם הודגם בשנות ה-70 על ידי ארתור אשקין, חתן פרס נובל בפיזיקה לשנת 2018, שאכן הציג מהוד מרחף. למרות ההישג, כיוון מחקר זה ננטש עד מהרה. כעת, בהשראת עבודתו החלוצית של אשקין, מציגים חוקרי הטכניון את המהוד המרחף המפגין העצמה תהודתית של 10,000,000 סיבובי אור, וזאת לעומת כ-300 סיבובים במהוד של אשקין.

המהוד המרחף

במהוד העשוי מראות המחזירות 99.9999 אחוז מהאור, האור יסתובב כמיליון סיבובים או “טיולים מעגליים”, כפי שקוראים להם בשפה מדעית. אם ניקח אור שהספקו 1 ואט, בדומה לאור של המבזק (פלאש) בטלפון סלולרי, וניתן לו להסתובב הלוך וחזור בין המראות הללו, הספק האור יתעצם לכמיליון ואט – הספק המשתווה לצריכת החשמל של שכונה גדולה בחיפה. בהספק האור הרב נוכל להשתמש, למשל, כדי לעורר תגובת גומלין בין אור לחומר שקוף הנמצא בין המראות.

למעשה, מיליון הוואט מורכבים מאותו חלקיק אור בודד העובר הלוך ושוב דרך החומר, אבל החומר אינו “יודע” שזה אותו חלקיק אור שנע שוב ושוב דרך החומר, ורק “מרגיש” בהספק הרב. בהתקן מסוג זה חשוב גם שמיליון הוואט יעברו דרך שטח חתך קטן, ואכן, המכשיר שפיתח ח’יר-אלדין מוליך את האור ב-10 מיליון טיולים מעגלים, כשהאור ממוקד לשטח אלומה הקטן פי 10,000 משטח החתך של שערה. בכך שבר ח’יר-אלדין את שיא העולם בהעצמה תהודתית של אור.

המהוד שפיתחו חוקרי הטכניון עשוי מטיפת שמן זעירה בקוטר של כ-20 מיקרון – רבע מעובייה של שערה. הטיפה מוחזקת באוויר באמצעות אור בטכניקה הקרויה “מלקחיים אופטיים”.  טכנולוגיה זו, המאפשרת להחזיק חלקיקים באמצעות אור, משמשת כאן להחזקת הטיפה באוויר בלי תמיכה חומרית – סיב או עמוד אחר – העלולה לפגום בצורתה הכדורית או ללכלך את הטיפה. לדברי פרופ’ כרמון, “ההמצאה האופטית הגאונית הזאת, המלקחיים האופטים, משמשת המון במדעי החיים, בכימיה, בהתקני מיקרו-זרימה ועוד, ודווקא האופטיקאים כמעט ולא משתמשים בה – קצת כמו סנדלר שהולך יחף. במחקר הנוכחי אנחנו מראים שלמלקחיים האופטיים יש פוטנציאל עצום בתחום ההנדסה האופטית. אפשר למשל לבנות מעגל אופטי באמצעות מלקחיים אופטיים מרובים המחזיקים מהודים רבים ושולטים על מיקומם של המהודים ועל צורתם בהתאם לצורך.”

גם ממדיה הזעירים של הטיפה מסייעים לשיפור שלמותה הכדורית, משום שכוח הכבידה כמעט אינו מעוות אותה, שכן הוא שולי בממדים הללו יחסית לכוחות מתח הפנים של הנוזל המקנים לו צורת כדור.

במערכת הייחודית שפיתחו חוקרי הטכניון מוחזקת טיפת השמן על ידי קרן לייזר ומקבלת את האור מסיב אחר, שגם מקבל את האור חזרה אחרי שעבר במהוד. על פי תכונותיו של האור החוזר בסיב יכולים החוקרים לדעת מה קרה בתוך הטיפה. לדוגמה, הם יכולים לכבות את האור הנכנס למהוד ולבדוק כמה זמן ישרוד פוטון במהוד לפני שידעך, ועל סמך נתון זה ומהירות האור לחשב את מספר הסיבובים שעושה הפוטון (בממוצע) בטיפה. כאן, כאמור, מדובר בשיא עולם בהעצמת אור: 10,000,000 סיבובים העוברים דרך שטח חתך של כמיקרון בריבוע ומגבירים את האור פי 10 מיליון.

במחקר השתתפו גם  שי מעייני, מארק דוידזון ולאונרדו מרטין מהטכניון ולב דייץ מהפקולטה לפיזיקה ב-Queens College of CUNY. המחקר נערך במסגרת מרכז מצויינות “מעגל האור” של הקרן הלאומית למדע ושל הועדה לתכנון ותקצוב (ICORE), קרן ארה”ב-ישראל למדע (BSF), קרן המדע האמריקאית (NSF), והקרן הלאומית למדע (ISF).

למאמר בכתב העת Physical Review X  לחצו כאן

מלמעלה למטה: המערכת שבמרכזה הטיפה המרחפת באוויר המשמשת מהוד אופטי (הנקודה הירוקה היא הטיפה המרחפת); הטיפה במבט על, באמצעות מיקרוסקופ; הטיפה במבט צד (העצם הארוך מימין הוא הסיב האופטי המחדיר את האור למהוד); והגדלה של הטיפה במבט צד.