ממשק טבעי לעין מלאכותית

מטרת המחקר של ד"ר יעל חנין, מבית-הספר להנדסת חשמל, שתיקח חלק בכנס ננו-ישראל בשיתוף "גלובס", היא לבנות שבב שמסוגל להחליף תאי ראייה באמצעות צימוד טוב יותר מהקיים של מערכת עצבית וחשמלית.
לפעמים תחום חדש ומסעיר הוא רק מיתוג מחדש של הרבה שדות מחקר שהיו קיימים גם קודם תחת שמות אחרים, ולפעמים, מדובר ברעיונות כל-כך חדשניים שלא היה ניתן אפילו לחשוב עליהם במסגרת הידע הקודם. בננו-טכנולוגיה יש גם מזה וגם מזה.

"הננו פתח תחום חדש מבחינת היכולת לעשות מניפולציות על אטומים", אומרת ד"ר יעל חנין, מבית-הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל-אביב, שתתאר את מחקריה בכנס "ננו-ישראל 2009", שיתקיים בירושלים ב-30-31 במארס בשיתוף "גלובס".

"הרעיון המקורי היה לעשות מניפולציות על אטומים, אבל בפועל, רוב המחקר נעשה ברמת המולקולות או קבוצות שלהן. יש עוד דרך ארוכה עד למימוש החלום האמיתי שעמד מאחורי הננו-מולקולות שבונות את עצמן, ומרכיבות מבנים יותר מורכבים, במקום שנצטרך לשים בעצמנו כל אטום במקום המתאים. כדי לעשות את זה, זונחים את השיטות ההנדסיות, ששרתו אותנו היטב עד היום, ומשתמשים בעקרונות הביולוגיה כדי לעשות דברים הנדסיים. זה נושא עתידני ומאתגר".
כנס ננו-ישראל נערך גם בשיתוף INNI - מיזם הננו-טכנולוגיה הלאומי הישראלי - ומרכזי הננו-טכנולוגיה באוניברסיטאות. זו הפעם הראשונה שהפעילות הענפה המתנהלת בארץ מוצגת באופן מרוכז, והמאסה אכן קריטית. ד"ר חנין תדבר בכנס על דרך שפיתחה לבניית משטחים החביבים על תאי עצב בשיטות ננו-טכנולוגיות. המטרה היא לבנות ממשקים טובים יותר בין תאי העצב למשטח, ולהיות מסוגלים להפעיל אותם על-ידי אות חשמלי, ובצורה זו לייצר שתלים טובים יותר שיכולים להחליף רשתית בעין פגועה.
"המוטיבציה ההנדסית של המחקר היא להגיע לצימוד טוב בין מערכת עצבית לחשמלית. המטרה היא לבנות שבב, שמסוגל להחליף את תאי הראיה ולעצבב את המערכת בצורה מלאכותית אם קליטת האור בעין אינה תקינה. קיימים היום שתלים עם מספר קטן של אלקטרודות, אבל בגלל שהצימוד בין התא לאלקטרודה חלש, אז איכות התמונה לא טובה. היום לא מסוגלים לבנות אלקטרודות, שמסוגלות לפעול ברמת התא היחיד. במעבדה שלי אנחנו משפרים את הצימוד בין התא לאלקטרודות, כך שהם יהיו מסוגלים להתממשק", אומרת חנין.

מתחברים למשטחים מחוספסים

הרשתית היא מערכת דו-ממדית של קולטי אור בחלק האחורי של העין. אצל אנשים שהרשתית שלהם נפגעה, מציעה חנין ליצור ממשק בין אלקטרודות ובין תאי עצב. שתל כזה לכשיתקבל, יוכל להתחבר למצלמה ולהעביר את התמונה לתאים. כיום ניתן להתחבר לעצב הראיה, למוח או לרשתית. לרשתית יש יתרון היות והיא דו-ממדית, ולכן רמת עיבוד האינפורמציה של הסיגנל האופטי פשוטה יחסית.

מתברר, שתאי עצב מחבבים משטחים מחוספסים. חנין חספסה את המשטחים שלה על-ידי פיזור כדורים שעשויים מננו-אלקטרודות, מעין שערות פחמן שעוביין כמיליונית המילימטר, בנקודות אסטרטגיות. התאים מתיישבים על האיים המחוספסים ומגדלים את שלוחותיהם לכל עבר. השלוחות גדלות, וכשהן נתקלות במשהו מחוספס הן משתרגות בתוך המערכת ונצמדות.

בצורה הזו ניתן לתכנן ולבנות מעגלים חשמליים מסודרים, שעשויים מתאי עצב ויכולים להעביר אינפורמציה, שכן התקדמות של אות חשמלי בתאי עצב שוות-ערך להעברת מידע. "הפעילות העצבית במוח מתבססת על פוטנציאל פעולה", אומרת חנין, "האינפורמציה נמצאת בקצב של מעבר האות החשמלי בין התאים, בהיררכיה של הפולסים, בצורה שבה הם עוברים ממקום אחד במוח למקום אחר".

המוטיבציה הביולוגית (להבדיל מזו ההנדסית) של המחקר היא ללמוד איך רשת תאים פשוטה שבונה את עצמה מאפס, מתחילה פתאום לפעול בצורה חשמלית. בהתחשב בכך שפעילות מוחית נחשבת לסימן היכר של קיום חיים, זה קצת כמו לשאול איך אוסף של תאים מתחיל פתאום לחיות או לחשוב. אבל חנין מסרבת לראות בתאי החגבים (ליתר דיוק, ארבה) שלה משמעויות מטאפיזיות. "ברמה הזאת אין יכולת לדבר על חיים, מחשבה או תודעה. אנחנו מדברים על החומרה, לא על התוכנה", היא אומרת, "אנחנו לא יודעים למה פתאום מתחילה פעילות חשמלית, ואנחנו גם לא מתעסקים בשאלות מהסוג הזה. אנחנו מנסים להבין איך קבוצות של תאים עובדות ביחד".

בראשית הדרך הביולוגית

האם ניתן יהיה ליצור זיכרון חיצוני לבני-אדם בצורה הזו? אוסף של תאי עצב שניתן יהיה להתממשק איתם ולקבל גישה למידע האצור בהם?

"אני חושבת שלא. זיכרונות ולמידה דורשים שילוב של אלמנטים שונים במוח, זו לא עוד תוספת קטנה שאפשר לחבר. הידע והיכולות שלנו מבוזרים ברחבי המוח. יש לכך כל מיני סיבות, בין השאר כי זה מאפשר למוח לבנות מחדש יכולות שנהרסו, ליצור קשרים חדשים וגם מייצג את המורכבות של הדברים שאנחנו עושים. אני אישית לא מוצאת טעם בסוג כזה של טכנולוגיה, כי זה לא חלק מלהיות אנשים".

אחרי שסתמה את הגולל באופן אכזרי על תקוות המדור להשתיל במוחינו שפות זרות במהלך טיולים בחו"ל, מביטה חנין לעתיד, אם כי בכיוון מעט אחר: "לתחום הזה יש עוד הרבה מאוד לאן לצמוח. מבחינת הפעלה של תאים אנחנו רק בתחילת הדרך. אנחנו בקושי מסוגלים להפעיל בצורה חשמלית וממוקדת תאים, כשבעצם מה שאנחנו רוצים לעשות זה להפעיל אותם בצורה אופטית, באמצעות הארה. מה שבאמת היינו רוצים זה אלקטרודות עם פונקציונליות אופטית כולל חישת צבע, זה בתחום ההנדסי. בתחום הביולוגי, אנחנו עוד צריכים להבין איך תאים עובדים ואיפה בכלל נמצאת האינפורמציה: האם לתאים בודדים יש משמעות או שקבוצה יסוד בסיסית של אינפורמציה היא קבוצה?"