חוקרים מפתחים שיטה חסכונית לאפיון מרחבי ולמפות אפיגנומים במוח

לפי הערכות, אחד מכל שישה אנשים סובל מהפרעה מוחית ברחבי העולם, על פי קרן המוח האמריקאית. מחקר עדכני סיפק תובנה מסוימת לגבי תקשורת תאים בתוך המוח, אבל עדיין יש הרבה לא ידועים סביב האופן שבו איבר חיוני זה מתפקד. מה אם הייתה מפה מקיפה שהביאה בחשבון לא רק את הביולוגיה של המוח, אלא את המיקום הספציפי שבו מתרחשת הביולוגיה?

חוקרים במכללה להנדסה פיתחו שיטה חזקה וחסכונית לעשות בדיוק את זה.

צ'אנג לו, הפרופסור להנדסה כימית של פרד וו. בול, הוביל פרויקט מחקר שעשוי להיות פורץ דרך לחקר המוח. המאמר החדש שפורסם בכתב העת שיטות דוחות תאים כולל מחקר בין-תחומי יחד עם סגל בשתי מחלקות נוספות במכללה להנדסה:

• שיאוטינג ג'יה, פרופסור חבר במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים בבראדלי
• דפנה יאו, פרופסור למדעי המחשב ופקולטה קשורה במרכז סנגאני לבינה מלאכותית וניתוח נתונים

המטרה שלהם? מיפוי והדמיה של הביולוגיה של המוח בקנה מידה גנום בצורה החסכונית ביותר לשיפור תפקוד בריא.

"רבות מהעובדות על המוח הן פנומנולוגיות, כלומר אנחנו יודעים שזה קורה, אבל אנחנו לא בהכרח מבינים פעילויות מולקולריות העומדות בבסיס האירועים האלה. אני חושב שזה מעכב את התפתחותן של תרופות", אמר לו. "הטיפול בהפרעות מוח נעשה באופן היסטורי לא על ידי תכנון רציונלי, אלא על ידי ניסוי וטעייה. על ידי קיום מפת התייחסות שמסבירה כיצד חלקים שונים במוח פועלים ברמה מולקולרית, זה יכול לעזור לחוקרים להתחיל לפתח אפשרויות טיפול שונות".

מה חדש במיפוי המוח

בריאות המוח נקבעת במידה רבה על ידי פעילות הגנים בתאי המוח. כאשר חוקרים מדברים על גנטיקה, הם בעצם מתייחסים לרצף ה-DNA ולאופן שבו הוא משפיע על בריאות האדם. לדוגמה, אם משהו לא בסדר או משתנה בתוך הרצף, אז ניתן לאבחן מחלות מסוימות. מחקר גילה שיכולים להיות שינויים כימיים אחרים המתרחשים במוח שאינם משנים את רצף ה-DNA, אלא משנים את אופן האינטראקציה של מולקולות אחרות עם ה-DNA. השינוי הזה שמשפיע על פעילות הגנים מבלי לשנות את רצף ה-DNA מכונה אפיגנומיקה, והוא יכול להיות אחראי באותה מידה לשינוי פעילות הגנים בתוך המוח ולגרימת מחלות שונות.

לו ועמיתיו מעוניינים לחקור כיצד ניתן לשנות את האפיגנומיה של המוח באזורי מוח שונים בתגובה לשינויים בפעילות או למצבים ספציפיים כמו התקפים, אפילפסיה, התמכרות או מחלות נפש אחרות. התהליך הנוכחי של מיפוי המוח כולל יצירת פרופיל של תאים בודדים אחד אחד. בעוד שגישה זו מציעה רזולוציה מרחבית גבוהה ומציגה מידע חשוב על תקשורת תאים בתוך המוח, היא יקרה ומייגעת. לו וצוותו פיתחו גישה חסכונית יותר לשיטה המרחבית: טומוגרפיה אפיגנומית.

טומוגרפיה אפיגנומית כוללת יצירת מפה מפורטת של האפיגנום, או הפרופיל בקנה מידה גנום של השינוי האפיגנטי, על פני שטח ונפח גדול של המוח. לו מאמין שזו שיטה חשובה לשימוש המדענים כדי להבין את הגורמים הגנטיים והסביבתיים המשפיעים על האופן שבו גנים מתנהגים מחוץ לרצפי DNA.

"כאשר לאדם יש התקף, נאבק בהתמכרות או סובל מכל סוג של הפרעה מוחית, הוא חווה שינוי אפיגנומי במוח", אמר לו. "יצירת מפת ייחוס של המוח כדי להציג איך נראים אפיגנומים מוחיים בריאים באזורים שונים יכולה לספק נקודת השוואה מועילה למקרים שבהם המוח סובל משינוי, כמו התקף."

העתיד של פיתוח תרופות

באמצעות תהליך שיתוף הפעולה שלהם, צוות המחקר הצליח ליצור מפה המדגימה מתי המוח חווה התקף לעומת כאשר הוא חווה פעילות רגילה. הנה הגישה הבינתחומית שלהם:

• מחלקים את המוח למקטעים קטנים, בעובי של כ-0.5 מ"מ. קטעים אלה רשומים, כלומר החוקרים יודעים מהיכן קטע מסוים מבחינת המיקום והאזור של המוח.

• צור פרופיל של כל אחד מהקטעים בנפרד באמצעות טכנולוגיית הקלט הנמוך שלהם שפותחה במעבדה של לו.

• קבץ תכונות על פני חלקים אלה לאשכולות בהתבסס על דפוסי הווריאציה המרחביים שלהם באמצעות אלגוריתמי אשכולות בעזרת Yao.

• צור טומוגרפיות מוח עבור מוחות בריאים וחולים כאחד, בעזרת המודל של Jia לחקירת ההשפעות של התקפים והפרעות מוח אחרות.

לאחר הרכבה מחדש של הטומוגרפיה הדיגיטלית של המוח, יש לחוקרים מפה האופיינית לאפיגנום המוח על פני אזור משמעותי. כאשר המפה משתנה, זה משקף שינוי משמעותי במונחים של ביצועי המוח ברמה האפיגנומית, שלדברי ג'יה היא פורצת דרך להבנת הפרעות מוחיות.

"החלק החסר בפאזל הוא ההבנה הבסיסית של תהליך ההתקף ברמה המולקולרית על פני אזור מוחי מפוזר במרחב", אמר ג'יה. "השיטה שלנו מספקת כלי רב עוצמה המאפשר לנו לחקור את התהליכים המולקולריים במוח שבבסיס ההתקף".

התוצאות של הפרופיל האפיגנומי המרחבי שלהם יסייעו לחוקרים להבין כיצד תאים באזורים שונים של המוח מתנהגים בצורה שונה מבחינת החתימות האפיגנטיות שלהם. שיטה חסכונית זו גם מסייעת להבטיח שניתן לחקור מספר לא מבוטל של דגימות מוח, דבר המניב מובהקות סטטיסטית לתוצאה.

המימון למחקר שלהם הגיע ממגוון מקורות המעוניינים בפיתוח תרופות עתידיות להפרעות נוירולוגיות, כולל:

• המכון הלאומי למדעי הרפואה הכללית
• המכון הלאומי לשימוש בסמים
• המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ מוחי

לו מאמין ששיטת מיפוי המוח של הצוות שלו יכולה להשפיע רבות על פיתוח תרופות להפרעות מוחיות. לדבריו, "אנו מקווים שחוקרים נוספים יצטרפו אלינו במונחים של התקדמות בהפרעות מוחיות. זה מחקר חשוב עבור אנשים הסובלים מדיכאון והתמכרות. זה אחוז גדול מהאוכלוסייה שלנו".

שיתוף פעולה בתוך המעבדה

שיתוף הפעולה הבינתחומי הזה דרש התמחויות משלוש המחלקות. צוות המחקר נתמך על ידי המכללה להנדסה והמרכז לטכנולוגיה קריטית ומדעים יישומיים לבריאות מהונדסת.

"הממצאים שלנו לא היו אפשריים ללא שיתוף הפעולה ההדוק על פני מספר רב של דיסציפלינות", אמר ג'יה. "זה באמת מרגש לראות שטומוגרפיה אפיגנומית מקלה על ההבנה של תהליכים דינמיים מרחבית על פני אזור מוח גדול העומד בבסיס ההתקף, ואני מצפה שהיא תוכל לאפשר יישומים במגוון רחב של מחלות מוח בעתיד."

אז מה הקשר בין מחקר על המוח להנדסה? בעיני לו, זה היה הפרויקט המושלם למהנדס כימי.

"חלק הפיתוח הטכנולוגי של הפרויקט הזה הוא איך אתה יכול לחשוב באופן מסורתי על הנדסה: פתרון בעיה, תכנון גישה ופיתוח הטכנולוגיה. אבל אני מרגיש שהמהנדסים כימיים מצוידים במיוחד במערך הכישורים העצום של כימיה, ביולוגיה ונתונים כל אחד מההיבטים הללו מעורב בפרויקט הזה, בדרך זו או אחרת", אמר לו. "כשהתלמידים שלי מסיימים את לימודיהם, אני מאמין שהם יכולים לעשות את כל הדברים האלה ולראות את החשיבות של כל אחד מהם בעבודתם".

המומחיות ההנדסית ששימשה בפרויקט זה לא נעצרה שם. יאו השתמש באלגוריתמים סטטיסטיים כדי לפשט ולארגן נתונים אפיגנומיים מסיביים, מה שגרם לדפוסים משמעותיים לבלוט, כמו ההבדל בין האפיגנומים של מוחות בריאים וחולים.

"כמות הנתונים הביולוגיים שנוצרו בפרויקט זה היא עצומה, הדורשת עיצוב של שיטות עיבוד נתונים מותאמות אישית המותאמות לבעיה הספציפית הזו", אמר יאו. "זה סופר מרגש לראות אלגוריתמי מקבץ בשימוש למחקר ביו-רפואי – משהו להתפאר בפעם הבאה שאני מלמד למידת מכונה."