עם מימון חדש שהוענק מהקרן הלאומית למדע, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, אירווין ובית הספר לרפואה קק של USC יבקשו לחולל מהפכה בטיפול במחלות נוירולוגיות באמצעות מחשוב ביולוגי חכם. המענק לארבע שנים, בסך 2 מיליון דולר, הוא חלק מתוכנית הגבולות המתעוררים במחקר וחדשנות של NSF, המממנת מדע חדשני שדוחף את גבולות הידע האנושי.
הנחת היסוד של פרויקט UC Irvine-USC היא לשלב עקרונות הנדסיים עם מחקר בתאי גזע לטיפול באזורי מוח פגועים. המטרה ארוכת הטווח של הצוות היא לשחזר תפקודים מוטוריים לחולים שסבלו מנזק מוחי משבץ או חוו בעיות נוירולוגיות אחרות.
אנו מאמינים ששילוב של הנדסת מערכות ורפואה רגנרטיבית עשוי, עם מחקר נוסף, לסייע לחולים עם נזק נוירולוגי. התוכנית תתמוך במחקר המדעי הדרוש לביסוס היסודות ליישומים עתידיים לטיפול בחולים".
ד"ר אן דו, פרופסור חבר לנוירולוגיה ב-UC Irvine, החוקר הראשי של המחקר
הרעיון מאחורי המחקר החדש הוא ליישם ייצור ביולוגי מתקדם וטכנולוגיית תאי גזע למבוגרים כדי לבנות רשתות עצביות תלת-ממדיות באופן המחקה את מנגנוני הלמידה העצמית של המוח הבריא. הצוות צופה שרשתות אינטליגנטיות אלו יכולות בסופו של דבר להשתלב עם המוח והגוף ולהיות מתוכנתות לשחזר פונקציות שאבדו לאחר פציעה.
Do תפקח על הפרויקט ותוביל מאמצי ייצור ביו. הוא יעבוד עם Zoran Nenadic, פרופסור להנדסה ביו-רפואית ב-UC Irvine, שיטפל בתהליכי עיבוד האותות העצביים וההכשרה של הרשת העצבית של הפרויקט. Hung Cao, פרופסור חבר להנדסת חשמל ב-UC Irvine, יתייחס לצורכי המיקרו-ייצור ומיקרו-אלקטרוניקה של הפרויקט.
ליי טרנר, פרופסור לביו-אתיקה ובריאות הציבור ב-UC Irvine, יוביל חקירה של הנושאים האתיים, המשפטיים והחברתיים הקשורים לפרויקט. ד"ר צ'ארלס ליו, פרופסור לכירורגיה נוירולוגית קלינית, אורולוגיה וכירורגיה, ומנהל מרכז השיקום הנוירולוגי של USC, יעבוד ישירות עם המטופלים.
צוות UC Irvine-USC השקיע שנים בפיתוח ממשקי מוח-מחשב לשיקום עצבי, ובשנת 2017 קיבל מענק של 8 מיליון דולר מ-NSF כדי להרחיב את העבודה. מאז, הם קיבלו הכרה הן מה-NSF והן מהאגודה להנדסה ברפואה וביולוגיה של המכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה.
טכנולוגיות מתכנסות
לתאי גזע יש הבטחה לעזור לחולים עם נזק מוחי וחוט השדרה. עם זאת, מדענים עדיין לא הצליחו ליצור רשתות של תאי גזע עצביים שהם גם מתפקדים וגם מקיימים את עצמם. לתאי גזע המוזרקים לאזורי מוח פגועים יש פוטנציאל לגדול ולתפקד אך אינם מצליחים לייצר תועלת קלינית כלשהי. חוקרי UCI ו-USC מאמינים שדרוש פתרון הנדסי כדי לממש את המטרות הללו.
ראשית, הצוות יפתח שיטה להדפסת רשתות תלת מימד של תאי גזע עצביים בתרבית. תאים אלה יאספו מתורמים בוגרים ויתוכנתו מחדש למצב פלוריפוטנטי (שיכול להתפתח לסוגים שונים של תאים). תאי גזע מתורבתים יכולים ליצור רשתות עצביות ו"אורגנואידים" קטנים המוגבלים בגודלם עקב אספקה לא מספקת של חומרים מזינים. דו ועמיתיו מתכננים ליצור כלי דם מלאכותיים שיכולים לעזור לרשתות עצביות של תאי גזע לגדול יותר ולשגשג.
בשלב הבא, החוקרים שואפים ליצור קשר דו-כיווני בין תאי המוח המתורבתים הללו לבין המוח האנושי החי בזמן שהמשתתפים במחקר מבצעים משימה התנהגותית. מחקרים אלו יתקיימו ב-UC Irvine עם מתנדבים בעלי יכולת גוף שישתמשו באלקטרואנצפלוגרמה (EEG) שלהם כדי ליצור אינטראקציה עם הרשת המתורבתת.
הניסויים יורחבו לאחר מכן לחולי אפילפסיה אשר הושתלו אלקטרודות על ידי קונסורציום USC Epilepsy Care כדי לנהל את מצבם. מטרת המחקר הזה היא לחקור האם תאים מתורבתים יכולים ללמוד ולגדול בתגובה לאותות מוחיים – למשל, בזמן שאדם מבצע משימה מוטורית עם הידיים – ואז לשלוח אותות בחזרה למוח בתמורה. המטרה הקלינית היא שבסופו של דבר, חולי שבץ עשויים להפיק תועלת ממחקר זה.
מחשוב ביו חכם
למרות שטכנולוגיה חקרנית זו עדיין תיאורטית ורחוקה שלבים רבים מהתרגול הקליני, תוצאה מוצלחת יכולה להוביל להתקדמות בטיפול במגוון רחב של מצבים נוירולוגיים. אם החוקרים יצליחו לייצר רשתות עצביות תלת-ממדיות שגדלות ולומדים, הם מתכננים לחקור כמה חזקים יכולים להיות המחשבים הביו-חכמים הללו. החוקרים מתכננים לחקור אם הם יכולים לבצע משימות פשוטות בלבד, או אם הם מסוגלים לבצע פונקציות מורכבות כמו לוגיקה ומחשוב.
בפרויקט הנוכחי, החוקרים ישתמשו גם במגוון שיטות מחקר כדי לטפל בהשלכות האתיות, המשפטיות והחברתיות של מבנים ביולוגיים אינטליגנטיים כאלה.
עבודה זו נתמכת על ידי מענק 2422412 של הקרן הלאומית למדע.
שישה מוסדות נוספים קיבלו מענקי גבולות מתעוררים במחקר וחדשנות. הן נמנות בין אוניברסיטאות המחקר המובילות בארה"ב: אוניברסיטת מישיגן, אוניברסיטת נוטרדאם, וירג'יניה טק, אוניברסיטת הרווארד, אוניברסיטת מרילנד והמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס.
