צוות בינלאומי בראשות אוניברסיטת מישיגן הציג שיטות חדשות החושפות אילו אזורים במוח היו פעילים לאורך היום ברזולוציה של תא בודד.
באמצעות מודלים של עכברים, החוקרים פיתחו פרוטוקול ניסיוני וניתוח חישובי כדי לעקוב אחר אילו נוירונים ורשתות במוח היו פעילים בזמנים שונים. פורסם בכתב העת PLOS Biology, המחקר מספק תובנות חדשות לגבי איתות מוח במהלך שינה וערות, מה שמרמז על השאלות והמטרות הגדולות יותר שהניעו את העבודה.
עשינו את המחקר הקשה הזה כדי להבין עייפות. אנחנו רואים שינויים עמוקים במוח במהלך היום כשאנחנו נשארים ערים ונראה שהם מתוקנים בזמן שאנחנו הולכים לישון".
דניאל פורגר, פרופסור למתמטיקה ב-UM, סופר בכיר
מה שהצוות מצא וכיצד הם מצאו את זה יכול לעזור להוביל לדרכים חדשות להעריך באופן אובייקטיבי עייפות בבני אדם. אלה יכולים לשמש בתורם כדי להבטיח שאנשים בעלי אחריות כבדה, כגון טייסים ומנתחים, יזכו למנוחה מספקת לפני תחילת טיסה או ניתוח.
"אנחנו למעשה שופטים נוראיים של העייפות שלנו. זה מבוסס על העייפות הסובייקטיבית שלנו", אמר פורגר. "התקווה שלנו היא שנוכל לפתח 'חתימות' שיגידו לנו אם אנשים עייפים במיוחד, והאם הם יכולים לעשות את עבודתם בבטחה".
המחקר נתמך במימון פדרלי מהקרן הלאומית למדע בארה"ב ומשרד המחקר של צבא ארה"ב. הוא גם קיבל מימון מתוכנית Human Frontier Science, או HFSP, המאפשרת עבודה חלוצית במדעי החיים באמצעות שיתוף פעולה בינלאומי, שהיה המפתח למחקר זה.
מבט גלובלי יותר
בזמן שחוקרים ב-UM יצרו את זרימות העבודה המתמטיות והחישוביות כדי לנתח ולפרש נתונים, משתפי פעולה ביפן ובשווייץ פיתחו גישה ניסויית חדשה וחזקה.
הם מינפו צורה חדשנית של הדמיה שנקראת מיקרוסקופיה של גליונות אור שאפשרה להם ליצור תמונות תלת-ממדיות של מוחות עכברים. הם גם הציגו שיטת תיוג גנטי שהביאה לנוירונים פעילים זוהרים מתחת למיקרוסקופ, מה שמאפשר לחוקרים לראות אילו תאים פעילים ברחבי המוח ומתי.
"אנו יודעים ממחקרים במהלך 20 או 30 השנים האחרונות, כיצד לפענח כיצד היבט אחד – גן או סוג של נוירון, למשל – יכול לתרום להתנהגות", אמר קונסטנטינוס קומפוטיס, מחבר מחקר ומדען בכיר במעבדה לפסיכופרמקולוגיה של שינה אנושית באוניברסיטת ציריך. "אבל אנחנו גם יודעים שכל מה שמנהל את ההתנהגות שלנו, זה לא רק גן אחד או נוירון אחד או מבנה אחד בתוך המוח. זה הכל ואיך הוא מתחבר ומקיים אינטראקציה בזמן נתון".
ה-HSFP הפגיש צוותים בשלוש מדינות כדי לחקור את הקשרים והאינטראקציות הללו לעומק יותר. זה כלל את צוות UM, צוות ציריך וצוות יפני, בראשות Hiroki Ueda מהמעבדה לביולוגיה סינתטית במרכז RIKEN לחקר ביו-מערכות ודינמיקה.
בעבודה משותפת, הצוות ראה שבאופן כללי, כאשר עכברים מתעוררים, הפעילות מתחילה בשכבות הפנימיות, או תת-קליפת המוח, של המוח. ככל שהעכברים התקדמו לאורך היום או הלילה שלהם, מוקדי פעילות (הם ליליים) עברו לקורטקס על פני המוח.
"המוח לא רק משנה את מידת הפעילות שלו במהלך היום או במהלך התנהגות מסוימת", אמר קומפוסטיס. "זה למעשה מארגן מחדש אילו רשתות או אזורי תקשורת אחראים, בדומה לכבישים של עיר משרתים רשתות תנועה שונות בזמנים שונים".
הממצא הזה, והאופן שבו הוא נוצר, מספקים צעדים בסיסיים לקראת זיהוי סימני עייפות ועוד, אמר פורגר. לדוגמה, הוא גם חושד שחקירה נוספת של הדפוס הכללי הזה עשויה ליצור קשרים לבריאות הנפש.
"המחקר הזה לא נוגע בזה", אמר פורגר. "אבל אני כן חושב שהפעילות שראינו באזורים שונים תהיה חשובה להבנת הפרעות פסיכיאטריות מסוימות."
יתר על כן, קומפוטיס כבר החלה לעבוד עם שותפים תעשייתיים כדי להשתמש בטכניקות הניסוי של הצוות כדי לחקור כיצד טיפולים שונים ומועמדים לתרופות משפיעים על פעילות המוח.
למרות שהטכניקות הניסויות החדשות אינן ישימות לבני אדם, חוקרים יכולים לתרגם ממצאים מסוימים ממודלים של עכברים לפיזיולוגיה אנושית, אמר פורגר. והגישות החישוביות שפותחו עבור מחקר זה ניתנות להכללה, אמר הכותב המשותף Guanhua Sun. סאן עבדה על פרויקט זה כדוקטורנט ב-UM וכעת הוא מרצה באוניברסיטת ניו יורק.
"המתמטיקה שמאחורי הבעיה היא למעשה די פשוטה", אמר סאן.
המתמטיקה הפשוטה הזו אפשרה לצוות לשלב את הנתונים החדשים שלהם עם מערכי נתונים קיימים על מוחות עכברים. האתגר, אמר סאן, היה לוודא שהאופן שבו הם שילבו את הנתונים האלה נעשה בצורה שתואמת את הביולוגיה והנוירולוגיה. כל עוד התקן הזה נשמר, ניתן ליישם את הגישה החישובית של הצוות על נתונים אנושיים שנאספו מסריקות EEG, PET ו-MRI, אמר.
"הדרך שבה אנו מזהים פעילות מוחית אנושית היא יותר גס ממה שאנו רואים במחקר שלנו", אמר סאן. "אבל את השיטה שהצגנו במאמר זה ניתן לשנות באופן שיתאים לנתונים אנושיים אלה. אפשר גם להתאים אותה למודלים אחרים של בעלי חיים, למשל, המשמשים לחקר אלצהיימר ופרקינסון. הייתי אומר שזה די ניתן להעברה".
בנימה אישית יותר, הצוות הקדיש את המחקר הזה לסטיבן בראון, עמית שמת בתאונת מטוס במהלך הפרויקט.
"סטיב היה משתף פעולה מושלם", אמר פורגר.
בראון הוא שותף בכיר במחקר החדש והיה פרופסור וראש מדור לכרונוביולוגיה וחקר שינה באוניברסיטת ציריך.
"למדנו עד כמה אדם אחד יכול להיות חשוב במחקר מדעי, בין אם זה בסיעור מוחות או בגישור בין רעיונות ומושגים. סטיב היה מרכיב מרכזי בשיתוף הפעולה הזה", אמר קומפוטיס. "זו עוד סיבה עבורנו להיות גאים מאוד בסיפור הזה".
