Category Archives: כתבות אמצע

האגודה המלכותית לכימיה העניקה היום את פרס Horizon בתחום הכימיה של החומרים לקבוצת חוקרים מהטכניון שפיתחה את E-TAC – טכנולוגיה חדשנית להפקה מהירה, זולה ובטוחה של מימן ירוק, הנחשב לדלק העתיד. מימן ירוק הוא מימן המיוצר ללא פליטות פחמן, ועל פי הודעת האגודה, הטכנולוגיה שפותחה בטכניון צפויה “להאיץ באופן דרמטי את החתירה לכלכלה ללא פליטות פחמן.”

עם קבלת הפרס מצטרפים חוקרי הטכניון לשורה של חוקרים ומפתחים בעלי שם שזכו בפרסי האגודה המלכותית לכימיה, בהם 50 חתני פרס נובל.

מפתחי טכנולוגיית E-TAC, מימין לשמאל: ד”ר חן דותן, פרופ’ אבנר רוטשילד, ד”ר אביגיל לנדמן ופרופ’ גדעון גרדר

את פיתוח הטכנולוגיה הובילו פרופ’ גדעון גרדר מהפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון ופרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים, שניהם חברים בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון, יחד עם בוגרי הטכניון ד”ר חן דותן, ראש צוות המחקר של פרופ’ רוטשילד, וד”ר אביגיל לנדמן, שהייתה דוקטורנטית משותפת בהנחייתם של פרופ’ גרדר ופרופ’ רוטשילד.

לדברי פרופ’ גרדר, “כששמענו על זכייתנו בפרס התקשינו להאמין, אבל אז התחלף הספק בתחושת הישג גדולה. אנו מודעים לאורכה של הדרך שעוד לפנינו – הדרך לתרגום הטכנולוגיה למתקנים תעשייתיים לייצור מימן ירוק. לכן, לצד השמחה על קבלת הפרס, אנו חשים את כובד האחריות – אחריותנו לתמוך בהמשך הפיתוח ולהוביל את הטכנולוגיה לקו הגמר.”

ד”ר הלן פיין, ראש האגודה המלכותית לכימיה, אמרה כי “רבים מההישגים הגדולים במדע הכימיה הם תוצאה של עבודת צוות ושיתופי פעולה הרותמים את הגיוון באופן החשיבה, בניסיון ובכישורים ליצירת הישגים מדהימים. סינרגיות אלה מרחיבות את הבנתנו לגבי העולם שמסביבנו. צוות E-TAC  הוא דוגמה נפלאה לכך שעלינו לחגוג הישגים מדעיים דרמטיים, ואנו גאים מאוד להוקיר היום את תרומתו.”

טכנולוגיית E-TAC פותחה בטכניון ומאמר מדעי בנושא פורסם לראשונה בכתב העת היוקרתי Nature Energy בשנת 2019. הפרויקט המשותף התחיל במסגרת מרכז המצוינות (I-CORE) למחקר בדלקים סולריים והתמקד בפיתוח מערכת פוטו-אלקטרוכימית לייצור סולרי של מימן וחמצן בתאים נפרדים. התמיכה הראשונית למחקר הגיעה ממענק ERC-PoC מטעם הנציבות האירופית למחקר באיחוד האירופי, ובהמשך נוספו לכך מענק של משרד האנרגיה והתשתיות, תמיכה מתוכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד בטכניון (GTEP) ותרומת אד סאטל.

על בסיס טכנולוגיית E-TAC הוקמה חברת ההזנק H₂PRO הפועלת לתרגום ההמצאה לקנה מידה מסחרי. החברה הוקמה על ידי חוקרי הטכניון עם היזם טלמון מרקו וקבוצתו והחלה לפעול בתחילת 2019.  H₂PRO קיבלה רישיון בלעדי למסחור הטכנולוגיה מ-3T, יחידת המסחור של מוסד הטכניון.

התהליך שפיתחה H₂PRO מאפשר ייצור זול, מהיר ובטוח של מימן ירוק באמצעות חשמל ירוק מאנרגיות מתחדשות (מים, רוח ושמש) ביעילות של כ-95%. בשלהי 2021 השלימה החברה סבב גיוס של 75 מיליון דולר בהובלת קרן TEMASEK מסינגפור וקרן HORISONS  מהונג קונג, זאת לאחר סבב גיוס קודם אותו הובילה קרן Breakthrough Energy Ventures, שעם משקיעיה נמנים ביל גייטס וג’ף בזוס.

פרס האגודה המלכותית הוענק היום לצוות המחקר: פרופ’ רוטשילד, פרופ’ גרדר, ד”ר דותן, ד”ר לנדמן, זיו ארזי (שהיה משתלם למגיסטר בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בהנחייתו של פרופ’ רוטשילד, קורל כהן (שהייתה סטודנטית לתואר ראשון בפקולטה למדע והנדסה של חומרים), ד”ר אלנה דוידובה (חוקרת בכירה בקבוצת המחקר של פרופ’ רוטשילד), נטע גל (שהייתה סטודנטית לתואר ראשון בפקולטה למדע והנדסה של חומרים), ד”ר דניאל גרבה (שהיה חוקר בכיר בקבוצת המחקר של פרופ’ רוטשילד וכיום מרצה בכיר באוניברסיטת בן-גוריון בנגב), נעם הדרי (שהיה סטודנט לתואר ראשון בפקולטה למדע והנדסה של חומרים), מנר חלבי (שהייתה סטודנטית לתואר ראשון בפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון), יוסי הלפרן (משתלם לתואר מגיסטר בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בהנחיית פרופ’ רוטשילד), נויה חאיק (שהייתה משתלמת לתואר מגיסטר בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בהנחיית פרופ’ רוטשילד), ד”ר קירטימן דאו מלביאה (שהיה פוסט-דוקטורנט בקבוצת המחקר של פרופ’ רוטשילד), ד”ר סטפורד שיהאן (שהיה חוקר אורח בקבוצת המחקר של פרופ’ רוטשילד), ד”ר גנאדי שטר (חוקר בכיר בקבוצת המחקר של פרופ’ גרדר), איליה סלובודקין (משתלם לתואר מגיסטר בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בהנחיית פרופ’ רוטשילד) ונחשון יהודאי (שהיה סטודנט לתואר ראשון בפקולטה למדע והנדסה של חומרים).

להודעה של האגודה המלכותית לכימיה לחצו כאן

ביום חמישי, 19 במאי, התקיים בפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב אירוע ההאקתון CS Hack – Doing Good בהשתתפות כ-130 סטודנטים ו-50 מנטורים – אנשי עמותות, בעלי מוגבלויות, מהנדסים וטכנולוגים מהתעשייה ומהפקולטה. האתגר: פיתוח אפליקציות ופתרונות טכנולוגיים לטובת אנשים בעלי מוגבלויות. התוצרים מיועדים לשפר את איכות חייהם של לפחות מ-17% מאוכלוסיית ישראל – בעלי לקות פיזית, נפשית או קוגניטיבית.

המדליסטית הפרה-אולימפית מורן סמואל

הפיתוח שזכה במקום הראשון נקרא  A-eye, משחק מילים על ראייה ובינה מלאכותית. בצוות הזוכה חברים מור ונטורה, הדס בן עטיה ודקל ברב, סטודנטים לתואר שני בטכניון. לדברי ונטורה, המוטיבציה לפיתוח הייתה הגילוי שאחד הקשיים העיקריים של מוגבלות ראיה היא מיפוי של האובייקטים השונים בבית. ונטורה מסבירה שהצוות עבד בהאקתון על פיתוח של מערכת לזיהוי חפצים בבית, שמאפשרת למוגבלי ראייה למצוא את הפרטים השונים בבית, גם אם הם זזו מסיבות שונות.

האקתון בפקולטה למדעי המחשב הוא המשכה של מסורת רבת שנים שנקטעה בתקופת הקורונה. כפי שהסביר פרופ’ דן גייגר, דיקן הפקולטה, ההתמקדות בצרכי אוכלוסיות מיוחדות היא חלק מהפעילות החברתית בפקולטה, וההאקתון נערך תחת הכותרת “מדעי המחשב למען אנשים” – CS4People, פעילות שמטרתה לעודד את הסטודנטים לעשייה למען הקהילה והחברה.

את האירוע פתחה הרצאת אורח של המדליסטית הפרה-אולימפית מורן סמואל, שסיפרה על תפיסת עולמה ועל הדרך שבה התמודדה עם קשיים שונים לאורך חייה והקריירה שלה. סמואל הסבירה לסטודנטים שמציאת פתרונות לאנשים עם מוגבלויות היא פתח לשינוי משמעותי באיכות החיים של אנשים שאין להם הפריבילגיה לחיות ללא המוגבלות. אנשים אלה נדרשים להתמודד עם אתגרים שרוב האוכלוסייה אפילו לא חושבת עליהם, למשל הצורך לתכנן מתי הולכים לשירותים כי שירותים מונגשים לא נמצאים בכל מקום. היא אפילו נתנה לסטודנטים רעיונות למוצרים, שאחד מהם עלה לגמר ההאקתון לאחר שעבר תהליך פיתוח מואץ.

את האירוע הובילו ארבעה סטודנטים מהפקולטה: שלי גולן, טל חקלאי, בני מושייב ומיכאל טוקר. תהליך העבודה על ההאקתון התחיל בתחילת השנה האזרחית וכלל ראיונות עם מתמודדים על מוגבלויות שונות בכדי להבין מה הצרכים המגוונים בתחום וכיצד באה לידי ביטוי השונות בין המוגבלויות השונות. כן נפגשו הסטודנטים עם עובדים ומנהלים בעמותות ובגופים שפועלים למען אוכלוסייה זו (נט”ל, מגדל אור, נגישות ישראל) כדי לזהות אתגרים העולים מהשטח.

שלי גולן, סטודנטית בשנה שלישית ויו”ר ועד הסטודנטים, שנכללה בצוות ההובלה, מבהירה את המוטיבציה לקיום האקתון: “כשתכננו את ההאקתון חשבנו שיש המון נושאים טכנולוגיים להתעסק איתם. לי ולחברי הצוות היה חשוב שהמוקד יהיה חברתי. הרגשנו שיש פוטנציאל גדול בפיתוח פתרונות טכנולוגיים שישפרו חיים של אנשים שבגלל שוק מצומצם קשה לגרום לתעשייה להשקיע בהם.”

בין המנטורים שליוו את הסטודנטים לאורך היום היו עודד בן דב וגיורא לבנה, בוגרי הפקולטה ומייסדי Sesame Enable שפיתחה טכנולוגיה שיודעת לתרגם תנועת עיניים לפעולת מחשב וכך מאפשרת למשותקי ארבע גפיים להשתמש בטלפון החכם. תרומתם לסטודנטים היתה גם בצד הטכנולוגי מתוך ניסיונם כמהנדסים וגם מניסיון החיים של לבנה, המתמודד עם מוגבלות בגלל שיתוק בארבע גפיו. מבחינתם, העזרה לסטודנטים בפיתוח המוצרים נובעת גם מהקשר שלהם לפקולטה וגם מהיכולת שלהם לתרום למען הכלל.

אחרי 24 שעות של חשיבה הוצגו בבוקר יום שישי תוצרי ההאקתון לצוות השיפוט המיוחד שכלל חברי סגל, נציגי עמותות ומנהלים בתעשייה הנמנים על נותנות החסות לאירוע – אינטל, אלביט, מובילאיי, סיטגיק, פיקויה, רפאל וחברת Via. בראש צוות השופטים עמד אהרון אהרון, מנכ”ל רשות החדשות לשעבר. אהרון מצטרף לקולות המדגישים לחיוב את בחירת הנושא. “זו בחירה ראויה שמייצרת אצל המתמודדים פרספקטיבה חשובה על האיזון בין המטרות המוכרות של עולם ההייטק ובין השקעה וחשיבה על הכלכלה והחברה במובן הרחב.”

לדעתו, כמי שהיה באירועים דומים רבים, ההאקתון במדעי המחשב היה מוצלח במיוחד בזכות רמת הארגון, ההשתתפות של הסטודנטים והמנטורים, מעורבות אנשי הפקולטה ובמיוחד רמת הפרויקטים ומורכבותם. “הקבוצות שעלו לגמר וזכו במקומות הראשונים הראו בשלות טכנולוגית, שימוש יצירתי בכלים טכנולוגיים קיימים ופיתחו פתרון ישים וחדשני. הפתרונות החכמים והמתקדמים שהצליחו הסטודנטים לפתח בפרק הזמן הקצר של האקתון היו מאוד מרשימים.”

במקום השני זכו הסטודנטים נדב טור, יניב כרמל, אסף קוברוסקי, דניאל פלג ועומר זיו שפיתחו את Iris, אפליקציה ללקויי ראיה המסייעת להם בזיהוי בגדים והתאמת צבעים.

הזוכים במקום השלישי פיתחו תוסף לכרום שיוצר תרגום לשפת הסימנים. חברת הקבוצה נעם משה סיפרה שהתחילה לחפש עוד לפני האירוע טכנולוגיות מסייעות שאפשר לפתח. “צפיתי בסרטון של ארגון הבריאות העולמי, שהונגש עם תרגום לשפת הסימנים. את תוכנו אינני זוכרת, רק את המחשבה שקפצה לראשי לגבי הכמות העצומה של תכנים שאינם מונגשים כיום עבור אוכלוסייה שלמה.” לדבריה, קיימת תפיסה מוטעית לגבי חשיבותה של שפת סימנים על פני כתוביות בקרב אוכלוסיית כבדי שמיעה, וזו אחת הסיבות שמשימת התרגום בתצורה זו אינה מפותחת מספיק. “לכן במסגרת ההאקתון פיתחנו תוסף לדפדפן שמטרתו להנגיש טקסט ושמע לשפת סימנים באופן אנושי ככל האפשר.” פרט למשה כללה הקבוצה את הסטודנטים דניאל בלקין, נתאי קלוגר, אוריאל אברהם וזיו מור.

פרויקטים נוספים שפותחו בהאקתון:

מערכת בינה מלאכותית המסייעת לכבדי ראייה לנווט באתרים בהתאם לתוכן שהם מחפשים. כיום כבדי ראייה נדרשים להאזין להקראת כל האובייקטים באתר האינטרנט לפי סדר א”ב או מימין לשמאל. המערכת שפותחה מקריאה את האובייקטים על פי סדר הרלוונטיות למילת הקשר שכתבו.

מערכת TrigBlock מתריעה מפני מקטעים בסרטון (אזעקות, סירנות) שעלולים לעורר טריגר לפוסט-טראומה.

מערכת How You Roll פותחה בהשראת הספורטאית מורן סמואל שהעלתה צורך ב”מד צעדים” עבור מתניידים בכיסאות גלגלים. ספירת הצעדים הוחלפה במספר משיכות הגלגל בכיסא גלגלים. מימוש הרעיון כלל שימוש בבקר (ארדואינו) שאליו חובר רכיב המודד תאוצה. הצוות ביצע מדידות על כיסא גלגלים ולאחר איסוף נתונים וסינון רעשים פיתח אלגוריתם עיבוד אותות המזהה את תנועת דחיפת הכיסא ומספר המשיכות בגלגל לפרק זמן מוגדר. המטרה היא להטמיע את האפליקציה בכל שעון חכם.

“כתוביות חכמות” לכבדי שמיעה – מערכת המוסיפה לכתוביות המוכרות ממד חדש של אינטונציה ורגש באמצעות צבע, למשל, על ידי צביעת הכתוביות באדום כאשר הן נאמרות בצעקה. מימוש המערכת התבצע באמצעות בינה מלאכותית לזיהוי מילים במקטע הקולי, סיווג המילים עם אינטונציות שונות בעזרת מדדים שונים​ למשל דציבלים, תדרים וריווח. הפתרון שימושי גם עבור בעלי מוגבלות חברתית החווים קושי בהבנת סיטואציות חברתיות ויכולים להשתמש בכתוביות, או אנשים בעלי קשיי קשב וריכוז עבורם הדגשים בתוכן מועברים באמצעים ויזואליים.

מערכת Hear Me Out המאפשרת לכבדי שמיעה לשמוע אזעקות במצב חירום. האפליקציה מבוססת קול ומתריעה על אזעקות על ידי השוואת הסאונד המוקלט ברקע, להבדיל מהאפליקציה של פיקוד העורף המבוססת על קליטה ולכן גם בעייתית.

מערכת Zebra מתמודדת עם הסכנה הגדולה ביותר ללקויי ראייה – חציית מעברי חצייה מבלי לסטות אל הכביש. האפליקציה מאפשרת לעיוור למקם את מצלמת הטלפון הנייד מולו ובעזרת אלגוריתמי עיבוד תמונה ובינה מלאכותית מזהה את מעבר החצייה ואת אוריינטציית הכיוון ומכווינה את הצועד לדרך הנכונה תוך התרעה על סטייה מהדרך באמצעות צפצופים.

Colorful – פילטר לעיוורי צבעים המותאם באופן אישי למשתמש ופועל כחלק אינטגרלי מהגדרות הטלפון או המחשב הנייד.

אפליקצייתLocalVocal  מסייעת ללקויי ראייה לחוות את הסביבה בצורה מיטבית באמצעות הקלטות המכילות תיאורים ויזואליים במיקום ספציפי מבוסס GPS.

אפליקציה חברתית 2Gather המחברת בין לקויי ראיה המתניידים בתחבורה ציבורית לבין מתנדבים המתניידים גם הם בתחבורה ציבורית ויכולים לסייע ללא מאמץ.

מערכת AccessiBus המסייעת ללקויי ראיה המתניידים בתחבורה ציבורית לתקשר בקלות עם הנהג – לעצור אוטובוסים, לבקש סיוע ועוד.

אלגוריתם חכם שנועד לעזור ללקויי ראייה למקם את פניהם באפליקציות המתחברות למצלמה (זום, טימס וכו’).

בתמונה מימין לשמאל: יארא עוטו, שי אחוות ופרופ’ ג’קי שילר עם מגזין Science

צוות חוקרים בראשות פרופ’ ג’קי שילר מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט מיפה לראשונה ברמת רזולוציה חסרת תקדים את הייצוג המוחי של הפקודות השולטות על  תנועת הגפיים. את המחקר שהתפרסם ב-Science הובילה פרופ’ שילר עם שתי תלמידות הMD/PhD- יארה עוטור ושי אחוות, שתרמו באופן שווה, והשתתפו בו הפוסט-דוקטורנט נייט סרמק ופרופ’ יצחק שילר ופרופ’ עמרי ברק, חברי סגל בפקולטה לרפואה, ואלון פולג-פולסקי מאוניברסיטת קולורדו.

לדברי פרופ’ ג’קי שילר, “המוטיבציה למחקר הייתה הרצון להבין את המנגנון המאפשר לקורטקס, קליפת המוח המוטורית, לקודד תנועה. זוהי אחת השאלות המסקרנות והחשובות בחקר המוח – כיצד מוחנו מסוגל ללמוד ולייצר מגוון כמעט אין סופי של תנועות חלקות ויעילות.”

את ההתמקדות בסוגיית התנועה מסבירה פרופ’ שילר בכך ש”תנועה היא ממשק מרכזי בקשר בינינו לבין העולם הסובב אותנו. התנועה היא מרכיב חיוני ואחד המרכיבים היחידים המאפשרים לאדם, כמו לאורגניזמים אחרים, להגיב לסביבתם ולשנותה. התנועה חיונית לכל פעולה בחיינו – מאכילה, דרך בריחה מסכנה ועד דיבור, בכי וצחוק. את משמעותה בחיינו אנו מבינים טוב יותר כשמתבוננים בחולים שבהם מערכת התנועה נפגעה, כגון חולי פרקינסון, או באנשים שעברו אירועים מוחים הפוגעים באזורי התנועה במוח.”

אף שכבר עשרות שנים נערכים מחקרים רבים בנושא, שאלת הייצוג והקידוד של תנועה במוחנו עדיין פתוחה. במחקר הנוכחי השתמש צוות החוקרים בטכניון בשיטות אופטיות, מולקולריות וחישוביות מתוחכמות ביותר, שאת חלקן פיתח בעצמו, וכך הצליח להוסיף תובנות חשובות לגבי שאלת יסוד זו.

מימין לשמאל: שי אחוות, פרופ’ ג’קי שילר ויארא עוטור

בקרת התנועה מתרחשת בקורטקס, קליפת המוח – האזור הגדול ביותר במוחנו. הקורטקס אחראי לתפקודים הבסיסיים ביותר שלנו ובהם חישה ותנועה וכן לתפקודים קוגניטיביים גבוהים ובהם למידה, חשיבה ורגשות. שיבושים בקליפת המוח עלולים לחולל הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות חמורות.

הקורטקס בנוי מרשת של נוירונים (תאי עצב), ויחידת העיבוד הבסיסית (אבן הבנייה הבסיסית) של רשת עצבית זו היא התא הפירמידלי. מה שמייחד את הרשת העצבית של המוח היא העובדה שהיחידות החישוביות שלה מתוחכמות ביותר, וזאת בניגוד ליחידות הפשוטות שבונות את הרשתות העצביות המלאכותיות שמשמשות לבינה מלאכותית.

כל אחד מהתאים הפירמידליים מקבל אלפי קלטים ומעבד אותם. את התוצר – הפלט – הוא מעביר לאלפי תאי עצב אחרים. לתאי העצב במוח אברונים מיוחדים הקרויים דנדריטים, שבהם מתמקדים מחקריה של פרופ’ שילר. אברונים אלה מאופיינים במבנה מורכב ומסועף דמוי עץ, והם המשמשים לקבל ולעבד את הקלטים העצביים המגיעים לתא.

במחקרים קודמים הראתה פרופ’ שילר שהדנדריטים אינם סתם “ממסרי מידע” אלא מכונות חישוב מורכבות, וכי הם מאופיינים ביכולות הגבר לא לינאריות ובגמישות רבה החיונית לזיכרון, ללמידה ולעיבוד מידע. במחקר הנוכחי היא התמקדה בתפקידם בתנועתיות של הגפיים בעכברים.

כיום ברור שתנועה היא תהליך נלמד, וכי אנו לומדים תנועות חדשות לא רק בינקות אלא במשך כל החיים. אנחנו יודעים גם שתרגול משפר את יכולת התנועה ושהזנחה פוגעת בה. עם זאת, למרות מחקרים רבים שנערכו בנושא, עדיין אין קונצנזוס מדעי לגבי מנגנון הבקרה המוחי של המוטוריקה. “אחת הסיבות לכך,” אומרת פרופ’ שילר, “היא מורכבותם של מנגנונים אלה. נתונים חושיים כגון ריח וראייה הם פשוטים יותר, משום שאת הריח אפשר לפרק למולקולות ואת הראייה אפשר לנתח בפשטות יחסית על סמך פיזיקה ופיזיולוגיה של העין. תנועה, לעומת זאת, היא תהליך בעל עושר כמעט אין סופי שקשה מאוד לפרק למרכיביו.”

שלושה תאי עצב פירמידליים בקליפת המוח התנועתית, שתפקידם
לשלוח את הפקודות התנועתיות ישירות לחוט השדרה. אלה התאים
שנחקרו במחקר הנוכחי של פרופ’ שילר. תאים אלה מתאפיינים בגופי
תאים פירמידליים, בעצים דנדריטליים ענפים, מפוצלים ומסועפים
במיוחד, תכונה המאפשרת להם לבצע עיבוד מקבילי מורכב של רכיבי
התנועה

במחקר הנוכחי עקבו החוקרים אחר הפעילות של אותם עצים דנדריטליים, עצים המהווים חלק חיוני של פעילות התאים, בקורטקס בשעה שהעכבר לומד לבצע משימות של מוטוריקה עדינה (תפיסת עצם ביד) ושל מוטוריקה גסה (תנועה על הליכון). על ידי החדרה של חיישנים פלורסנטיים באמצעות נגיפים מהונדסים הצליחו החוקרים לרשום את הפעילות מדנדריטים רבים של תא בודד ברמת רזולוציה שלא הושגה עד כה, ולהצליב פעילות זו עם מדדי התנועה. התוצאה: תמונה מלאה של מבנה הדנדריטים וכן של פעילותו של כל דנדריט ודנדריט בשעת ביצוע המשימה המוטורית. כך מיפו החוקרים את ייצוג המידע המוטורי בכל רגע ואת החישובים הנערכים בדנדריטים.

מתוצאות המחקר עולה כי הנוירון הבודד אינו רק שותף ברשת נוירונים אלא מהווה רשת משל עצמו – רשת הכוללת בין השאר דנדריטים המדברים זה עם זה. פירוש הדבר הוא שהפעולות השונות בנוירון נעשות לא רק על ידי חיבור קלטים שונים באופן לינארי (בזו אחר זו) אלא בפעילות מקבילית, רב שכבתית – מה שמזכיר כמובן את הקונספט המלאכותי של רשתות נוירונים רבודות, שהפך לתחום מחקר תוסס בעשור האחרון בשל יעילותו הרבה בביצוע פעולות שונות של סיווג וזיהוי.

ממצאים אלה תומכים בקיומו של קוד קומבינטורי דינמי הקיים בדנדריטים של תא בודד – קוד המאפשר לייצג מספר רב של משתנים מוטוריים בהתאם למטלה המשתנה.

ממצאים אלה מבהירים כיצד הרשת העצבית במוח מסוגלת לשמור פיסות כמעט אינסופיות של מידע וללמוד משימות חדשות תוך אחסון זיכרון ממשימות קודמות. כעת ברור כי היכולת לשמר כמות עצומה של מידע מוטורי נובעת משילוב בין התכונות המורכבות של תאים בודדים מצד אחד ומהמורכבות של הרשת העצבית מצד שני.

פרופ’ שילר מציינת כי המחקר הבסיסי המוצג במאמר עשוי לחולל פריצת דרך בהבנה של מחלות מוטוריות כגון פרקינסון. זאת משום שבמחלות אלה קיימת פגיעה בתפקודם של דנדריטים, פגיעה המגבילה להערכת החוקרים את היכולת המוטורית של האדם. נושאים אלה נבדקים כרגע במעבדתה של פרופ’ שילר. כך או כך, פריצת הדרך המוצגת במאמר צפויה לחולל שינוי משמעותי בחקר המוח ובהשלכותיו על בריאות האדם.

לקריאת המאמר – לחצו כאן

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, קרנות פרינס, קרן רפפורט ומלגת צוקרמן לפוסט-דוקטורנטים.

מחקר המשלב ידע ביולוגי וכלים חדשים ממדעי המחשב הוביל לגילויים הנוגעים לייצור חלבונים בריבוזום – ״מפעל החלבונים״ של התא. את המחקר הובילו פרופ’ אלכס ברונשטיין, ד”ר איילי מרכס והדוקטורנט אביב רוזנברג מהפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב והוא התפרסם ב-Nature Communications.

מימין לשמאל: פרופ’ אלכס ברונשטיין, ד”ר איילי מרכס והדוקטורנט אביב רוזנברג. צילום רמי שלוש

בתאי הגוף החי קיימים מיליוני ריבוזומים, שהם מנגנונים ביולוגיים המייצרים חלבונים – מולקולות המשמשות בתפקידים מרכזיים כמעט בכל מנגנון ביולוגי. בתהליך הקרוי תרגום, הריבוזום ״קורא״ את ה״הוראות״ ליצירת חלבונים המגיעות מהגנים ומרכיב את החלבונים על ידי בניית שרשרת של אבני בניין הנקראות חומצות אמיניות. תוך ידי היווצרותו בריבוזום מתחיל החלבון להתקפל למבנה תלת-ממדי ייחודי המקנה לו את תכונותיו הביולוגיות ומאפשר את תפקודו. פגמים בתהליך התרגום או הקיפול עלולים להוביל להפרעות פיזיולוגיות קלות וחמורות כאחת.

שחקנים מרכזיים בתהליך התרגום הם הקודונים – רצפים של שלוש אותיות בסדרה הגנטית, המגדירים אילו חומצות אמיניות יחבר הריבוזום בכל מקום בשרשרת.  קודון UUU, לדוגמה, מורה לריבוזום לחבר את החומצה האמינית פנילאלנין, ואילו קודון UAC מורה לו לחבר טירוזין. כך מקודד רצף הקודונים את סוג החלבון שייבנה, שכן לכל חלבון רצף ייחודי של חומצות אמיניות. מילון ההמרה מקודונים לחומצות אמיניות, המכונה גם ״הקוד הגנטי״, משותף לכל היצורים החיים על פני כדור הארץ ולכן נחשב למנגנון קדמון מאוד מבחינה אבולוציונית.

אם כל זה אינו מסובך מספיק, חשוב לציין שבקוד הגנטי ישנם 61 קודונים המקודדים רק 20 חומצות אמיניות. במילים אחרות, כמעט לכל חומצה אמינית קיימים כמה קודונים שונים אשר מקודדים עבורה.

כאן נכנס לתמונה המחקר הנוכחי. כבר בשנות ה-60 וה-70 התקבעה הסברה – על בסיס ניסויים רבים – כי החלבון אינו  “זוכר” מאיזה קודון נוצרו החומצות האמיניות שלו. איך בדקו את זה? שיטחו חלבונים מוגמרים, תלת-ממדיים, התבוננו כיצד הם חוזרים לצורתם התלת-ממדית המקורית, ולא מצאו הבדלים בין החלבון המקורי לחלבון המקופל שנית. משמעות הדבר, כך סברו, שרק רצף החומצות האמיניות ולא רצף הקודונים הספציפיים אחראי למבנה החלבון.

מימין לשמאל:הדוקטורנט אביב רוזנברג ,ד”ר איילי מרכס ופרופ’ אלכס ברונשטיין. צילום רמי שלוש

קבוצת המחקר מהטכניון גילתה שסברה זו אינה נכונה לגמרי. החומצות האמיניות והחלבון, מתברר, עשויים “לזכור” את הקודון שקודד את היווצרותם. החוקרים ניתחו אלפי מבנים תלת-ממדיים של חלבונים באמצעים כלים ייעודיים שפיתחו, המשלבים שיטות מתקדמות ממדעי המחשב, למידת מכונה וסטטיסטיקה. כך הם השוו באופן מדויק את פילוגי הזוויות הנוצרות במבנים אלה תחת קידודים גנטיים שונים. הממצאים מראים שעבור קודונים מסוימים קיימת תלות סטטיסטית מובהקת בין זהות הקודון למבנה המקומי של החלבון, כלומר במיקום התואם בדיוק למיקום הקודון ברצף הגנטי.

החוקרים מדגישים כי התוצאות עדיין אינן יכולות להצביע על קשר סיבתי, כלומר עדיין לא ניתן להסיק למשל אם השינוי בקידוד גנטי גורם לשינוי במבנה החלבון המקומי, או שמבנה החלבון המקומי משפיע על הקידוד הגנטי – לדוגמה דרך תהליכים אבולוציוניים. שאלה זו עומדת בבסיסו של מחקר המשך שעליו עובדת הקבוצה בימים אלה. לדברי ד”ר מרכס, ביולוגית בהכשרתה ובהשכלתה, “אם נגלה במחקרי המשך כי הקודון אכן משפיע סיבתית על אופן קיפול החלבון, עשויה להיות לכך השפעה עצומה הן על הבנת פעילות הריבוזום והן על שימושים עתידיים כגון הנדסה של חלבונים חדשים.”

ד״ר מרכס מדגישה שהגילוי המוצג במאמר לא היה מתאפשר בלי החיבור ליכולות המחשוב והאנליזה של פרופ’ ברונשטיין. “העבודה הזאת מבוססת על מחקר רב תחומי אמיתי, כי הביולוגיה לבדה אינה יכולה להתמודד עם כמויות מידע גדולות כל כך בלי סיוע ממדעי הנתונים, ואנשי מדעי המחשב אינם יכולים לערוך מחקר כזה לבדם כיוון שאין להם את המומחיות הנדרשת בנושא הביולוגיה של הריבוזום. לכן זו דוגמה מצוינת ליתרון העצום שבמחקר בין-תחומי המחבר יכולות מתחומים שונים לכדי שלם הגדול מסכום חלקיו.”

מאמרם של חוקרי הטכניון מערער על הדוגמה המרכזית של הביולוגיה, הגורסת שמבנה החלבון נקבע תמיד על פי סדר חומצות האמינו שמוגדר בקידוד הגנטי של החלבון. המחקר עשוי לשנות את האופן שבו אנו מבינים את תהליך קיפול החלבונים

פרופ’ אלכס ברונשטיין השלים את כל תאריו האקדמיים בטכניון – תואר ראשון ושני בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי ותואר דוקטור בפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב, שם הוא מכהן כחבר סגל. כבר במהלך התואר הראשון שלו, שאותו עשה במסגרת תוכנית הטכניון למצוינים, בנה מערכת זיהוי פנים שידעה להבדיל בינו לתאומו הזהה מיכאל. מחקר זה התפתח לימים לדוקטורט בהנחייתו של פרופ׳ רון קימל ולחברת הסטארטאפ אינוויז’ן שנרכשה על ידי אינטל ב- 2012.

ד”ר איילי מרכס השלימה תואר ראשון במדעים באוסטרליה מולדתה, המשיכה לתואר שני ושלישי בטכניון בהנחיית פרופ’ נעם אדיר ולפוסט-דוקטורט בביולוגיה. כיום, אחרי כמה שנים של עבודה ברשות המחקר במוסד הטכניון, היא עובדת כחוקרת במעבדתו של פרופ’ אלכס ברונשטיין.

אביב רוזנברג השלים בטכניון תואר ראשון בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי ותואר שני בפקולטה להנדסה ביו-רפואית וכיום הוא דוקטורנט במעבדתו של פרופ’ ברונשטיין. מחקריו עוסקים בבעיות יישומיות של למידת מכונה ברפואה ובביולוגיה ובהן מידול וניתוח של השתנות קצב הלב, זיהוי פתולוגיות באותות אק״ג, שיטות סטטיסטיות ושיערוך אי ודאות ואמינות של מערכות לומדות ביישומים רפואיים.

למאמר המדעי ב- Nature Communications לחצו כאן

מימין לשמאל: ד”ר רז פלטי, רוסלנה מיליצין, הדוקטורנטיות הדס אצ׳לדייב כהן וד”ר אליה זועמט

סידן הוא אחד החומרים החיוניים לבריאותנו. ידועה במיוחד השפעתו על חוזק העצמות, אולם פעילותו בגופנו נרחבת הרבה יותר. למעשה, הסידן הוא “שליח” המעביר אותות בין תאים ושותף בתהליכי בקרה על הביטוי הגנטי בתאי מערכת החיסון, כיווץ שרירים, העברת אותות חשמליים במערכת העצבים ועוד. שינויים ברמת הסידן בתא עלול להוביל למחלות שונות, ולכן התפתחה במהלך האבולוציה מערכת מורכבת לבקרה על רמה זו.

ד“ר רז פלטי מהפקולטה לרפואה ע“ש רפפורט עוסק מזה שנים בחקר מערכת בקרה מיוחדת השולטת על אחסון הסידן בתא. מחקרים קודמים הראו כי שני חלבונים שונים ממלאים תפקיד מרכזי במערכת זאת. האחד הוא STIM, המנטר את רמת הסידן בתא, והאחר הוא Orai  – חלבון שהוא תעלת הכניסה של הסידן הממוקמת על קרום התא. כאשר Orai מקבל מ- STIMהתראה על מחסור בסידן, הוא דואג לאספקה מחודשת של סידן לתא. כך נראית פעילותה של מערכת הבקרה Orai-STIM בתא הבריא; אך כאשר חלות מוטציות באחד משני החלבונים האלה, או בשניהם, מערכת הבקרה עלולה להפסיק לתפקד, וההשלכות הקליניות עלולות להיות הרות אסון לרבות פגיעה קשה בתאי T החיוניים לתפקודה של מערכת החיסון.

“מנגנון הבקרה של מאגרי הסידן בתא נחקר כבר שנים רבות,“ מסביר ד“ר פלטי שערך את המחקר ביחד עם ד“ר רונלד אודסין וד“ר אליה זועמת, “אבל מאחר שמדובר במנגנון מורכב מאוד הפועל בסביבה ‘רועשת’, קשה מאוד למפות את פעילותו באופן מדויק. במילים אחרות, קשה מאוד לעקוב רק אחר יוני הסידן שמועברים על ידי STIM ו-Orai.”

בשנים האחרונות עובדת קבוצת המחקר של ד“ר פלטי על האתגר הזה באמצעות מגוון טכניקות מעולמות הכימיה, הביולוגיה והפיזיקה ובשיתוף פעולה עם קבוצות המחקר של פרופ’ יובל שקד מהפקולטה לרפואה ע“ש רפפורט בטכניון ופרופ’ מייקל קינזלר מאוניברסיטת קוניטיקט. המאמר שהתפרסם לאחרונה ב-PNAS מציג את פריצת הדרך הנוכחית. לדברי ד“ר פלטי, “מדובר בהצלחה טכנולוגית-מדעית במעקב אחר התנהגותן של המולקולות האמורות, אבל יותר מכך – בפיתוח טכנולוגיה להפעלה ממוקדת וסלקטיבית של תרופות המשפיעות על מנגנון זה. זה אומנם שלב מוקדם, אך לגילוי זה עשויות להיות השלכות על טיפולים בסרטן גרורתי וכאב.“

רמת הסידן בתאים. משמאל – ללא התערבות; מימין – אחרי הפעלה של המנגנון שפיתחו חוקרי הטכניון. המעגל הלבן מציין את האזור שעליו הוקרן האור המפעיל את המולקולה המובילה לכניסת הסידן לתאים

הטכנולוגיה הייחודית המוצגת במאמר מבוססת על גישה חדשנית הקרויה פוטו-פרמקולוגיה – הפעלה של תרופות ברקמת היעד באמצעות אור. החוקרים יצרו מעין מתג אופטי שבאמצעותו הם שמים יד על הברז, כלומר שולטים בפעילותה של תעלת הסידן Orai. כך הם יכולים לפתוח את התעלה ולאפשר זרימת סידן לתא בזמן ובמקום הרצוי. בטכנולוגיה זו הצליחו החוקרים לשלוט בביטוי הגנטי בתאי T ובייצור ציטוקינים ומולקולות אחרות החיוניות לתפקודה של מערכת החיסון.

בנוסף, בסדרת ניסויים עם קבוצת המחקר של פרופ’ אלכס בינשטוק מהאוניברסיטה העברית גילו החוקרים כי מגנון בקרת הסידן של STIM–Orai פעיל בזמן חישת כאב, כך שהשפעה עליו עשויה לסייע בהבנה מדויקת יותר של מנגנוני העברת הכאב בגוף. במחקר ההמשך, הנערך עם פרופ’ מייקל קינזלר מאוניברסיטת קונטיקט, יעמיקו החוקרים את הבנתם של מנגנוני הבקרה האמורים וירחיבו את השימושים הקליניים של הטכנולוגיה שפיתחו.

המחקר נערך בתמיכת הקרן הלאומית למדע (ארצות הברית), הקרן הלאומית למדע (ישראל), הקתדרה ע“ש ססיל וסימור אלפרט לחקר הכאב, הקרן הדו-לאומית למדע ארה“ב-ישראל ומכון המחקר ע“ש רפפורט בטכניון.

למאמר המדעי ב- PNAS לחצו כאן