מנגנון חדש לגירוי מלאכותי של המוח באמצעות אולטראסאונד

יישומים אפשריים של הגילוי: טיפולים באפילפסיה ובעיוורון

חוקרי הטכניון זיהו מנגנון חדש לגירוי מלאכותי של המוח באמצעות גלי אולטראסאונד. הפרופסורים איתן קימל ושי שהם מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית ומכון ראסל ברי למחקר בננו-טכנולוגיה בחנו את יכולתו של מודל תיאורטי שפרופסור קימל הציע כבר לפני שלוש שנים – לנבא תוצאות של סדרת ניסויים בגירוי מוחי בעזרת אולטרסאונד.

יצירת דרך מדויקת אך לא פולשנית להגיע דרך הגולגולת לאזורי מטרה במעמקי המוח ולהשפיע על פעילותו היא שאיפה רבת שנים של העוסקים בחקר המוח והטיפול בו. זו הסיבה להתלהבות הגוברת בקהילה המדעית מההצלחות האחרונות של מספר קבוצות מחקר בעולם לגרות פעילות עצבית חשמלית בתָּאֵי עָצָב (נוירונים, התאים במוח, בחוט השדרה ובעצבים המְתקשרים זה עם זה בפוּלסים חשמליים המכונים “פוטנציאל פעולה”) באמצעות אלומות אולטרסאונד ממוקדות בעוצמה לא גבוהה. בעוד מספר המחקרים שמראים שהשיטה עובדת וניתנת ליישום עולה במהירות, מנגנון הגירוי נותר מסתורי.  המחקר החדש של הפרופסורים איתן קימל ושי שהם והדוקטורנט מיכאל (מישה) פלקסין מציע הסבר מדעי לתופעה ועשוי לקדם את היכולת להתערב בפעילות המוח באופן לא פולשני באמצעות אולטרסאונד, ולהוביל לפיתוח טיפולים רפואיים חדשים. הממצאים פורסמו בכתב העת המדעי ב- Physical Review X

 “העבודה הנוכחית מתבססת על מודל תאורטי שהצעתי לפני שלוש שנים כהסבר חדש ומהפכני להשפעה של גלי אולטרסאונד על תאים מכל סוג שהוא בגוף החי”, אומר פרופסור קימל. “המודל התמקד בקרום התא (cellular membrane) – המעטפת המקיפה את התא. המולקולות המרכיבות את הקרום מסודרות בשתי שכבות שביניהן רווח. על פי המודל, כאשר גל אולטרסאונד פוגע בתא, שתי השכבות של קרום התא מתרחקות, נמתחות ומתחילות לרטוט (בדומה לרטט מיתרי הקול כשאוויר עובר בגרון). המחקר החדש בחן מה קורה בזמן הרטט להתנהגות החשמלית של התאים (קרום התא מהווה גם קַבָּל האוגר מִטען חשמלי)”.

חוקרי הטכניון הראו שכאשר השכבות רוטטות, תנועת המטען החשמלי יוצרת זרם חילופין המוביל בעקיפין גם להצטברות מִטען. ככל שמתמשך הרטט נצבר יותר מטען בקרום, ובסופו של דבר מצטבר מספיק מטען ליצירת פוטנציאל פעולה ועירור חשמלי של תאי העצב.

 כדי לבדוק את המודל, בחן הצוות הטכניוני את יכולתו לנבא תוצאות של סדרת ניסויים בגירוי מוחי בעזרת אולטרסאונד. לדברי פרופסור שהם, “נמצאה התאמה גבוהה מאוד בין התחזיות שלנו לבין תצפיות משוכללות שבוצעו לאחרונה ע”י חוקרים באוניברסיטת סטנפורד. יש לכך בעצם משמעות כפולה – פיתחנו את התיאוריה הראשונה בעלת יכולת ניבוי לגירוי עצבי באמצעות אולטרסאונד, ובאופן עקיף חיזקנו את המודל התאורטי מלפני שלוש שנים”.

הבנה חדשה זו עשויה להוביל לפיתוחים רפואיים חדשים ומשמעותיים. מדענים ורופאים יוכלו להשתמש בגלי אולטרסאונד לחקר המבנה הפנימי של המוח באופן לא פולשני, כמידע משלים לסריקת MRI, ואולי אף לטיפול בהתקפים אפילפטיים. פרופסור’ שהם כבר החל לבחון דרכים לגירוי תאים ברשתית באמצעות אולטרסאונד – טכניקה שעשויה לאפשר יצירת תמונות וראייה ללא אור. “יש כאן פוטנציאל נרחב ליישומים נוספים, שמתבססים על הבנת מנגנון הפעולה”, אומרים החוקרים.

בתמונה בעמוד הבית: מנגנון העירור החדש מתבסס על רטט ננומטרי בתוך קרום התא. מימין: מתאם בין תוצאות הניסוי והמודל

 לפרסום ב- Physical Review X לחצו כאן

פרופסור איתן קימל

פרופסור שי שהם