עוברי סייבורג לחקר המוח

בעלי חיים שמתרבים ברבייה מינית מתחילים את דרכם בתור תא מופרה יחיד שנקרא זיגוטה, ומכיל את החומר התורשתי של שני הוריו. מהתא הבודד הזה מתפתח, בתוך זמן קצר מאוד בהתחשב במורכבות העצומה של התהליך, בעל החיים השלם. 

איך זה קורה? בתחילה הזיגוטה מתחלקת שוב ושוב והופכת לצביר תאים זהים. לאחר מכן מתחילים להיווצר בו מבנים מורכבים יותר: התאים מתחלקים לשכבות שונות זו מזו, נוצרים תאים מסוגים שונים שממלאים תפקידים נבדלים. לאחר מכן מופיעות רקמות ובסופו של דבר נוצרים איברים מובחנים. מה מכתיב את הצעדים האלו? איך התאים מסתעפים לתפקידים שלהם? הרבה מאוד פרטים בהתפתחות העוברית עדיין נסתרים מעינינו.

לעקוב אחרי ההתפתחות

שלל גורמים מגבילים את יכולתנו לעקוב אחרי תהליכי ההתפתחות העובריים ולמדוד אותם. הרכב התאים משתנה שוב ושוב כשהתאים מתחלקים ורוכשים התמחויות ספציפיות, והמבנים שמהם מורכבים צבירי התאים משתכללים יותר ויותר עד שהם הופכים לאיברים תלת-ממדיים שלמים. יתר על כן, אצל רוב היונקים התהליך הסבוך הזה מתרחש בתוך גוף אחר – גופה של האם.

כדי להתמודד עם הקשיים הללו, ביולוגים התפתחותיים נעזרים בשלל כלים יצירתיים כדי לפענח את תהליכי ההתפתחות של העובר. יש חוקרים שמנסים לשחזר את תהליך יצירת העובר מחוץ לרחם, בין השאר במחקרים על עוברי עכברים. הגישה הזאת אומנם מאפשרת צפייה מלאה בעובר, אבל נכון לעכשיו יש גבול לשלבי ההתפתחות שאפשר לדמות בסביבה מלאכותית.

גישות אחרות מנסות ללמוד את העובר בעודו גדל בסביבה טבעית. יש יצורים שאפשר לצפות בהתפתחותם בסביבה חיצונית, למשל הביצים השקופות של דגי הזברה, ביצי הסלמנדרה או אלה של זבוב הפירות, ואפילו ביצת התרנגולת שאפשר לבקע בלי לפגוע בעובר. בכל אלה אפשר לצפות די בקלות בדינמיקה של התפתחות העובר – עד שתהליכי התקפלות ושינויי הצורה המהירים של העובר המתפתח מקשים להמשיך לאורך זמן את המעקב אחריהם ואת מדידת האיברים המתפתחים. אולם קצב ההתפתחות המהיר והשינויים המבניים שנוצרים מקשים על מעקב ומדידה צמודים של התאים הדינמיים.

מכשיר מעקב אחרי המוח

אחד התהליכים המסקרנים בתהליכי היצירה של יצורים חיים הוא ההתפתחות של מערכת העצבים. המערכת הזאת מתחילה את דרכה כיריעה דו-ממדית של תאים צמודים, ובהמשך היא מתקפלת למעין צינור ולמבנים תלת-ממדיים מורכבים יותר, שמהם מתפתחים בסופו של דבר המוח וחוט השדרה. כדי לחקור את מערכת העצבים העוברית, חוקרים מארצות הברית מציעים שיטה חדשה שמבוססת על עוברים סייבורגיים – כלומר עוברים ששולבו בתוכם רכיבים אלקטרוניים מלאכותיים, שתפקידם למדוד את הפעילות המתהווה בתוך המבנים ההתחלתיים שלהם.

מאפשרים ללמוד על תהליכי התפתחות המוח. עובריי סייבורגיים מהמחקר

Cyborg tadpoles that were fitted with neural-tracking implants as embryos could offer a window into the developing brain.https://t.co/ECLW0HFHA1

— New Scientist (@newscientist) June 12, 2025

החוקרים פיתחו מערכת שמאפשרת מעקב צמוד אחרי העובר. היא כוללת מערך אלקטרוני דק וגמיש למדידת פעילות חשמלית, שבנוי כמעין רשת שטוחה של אלקטרודות. המכשיר מוחדר למבנה העוברי המשמש בסיס להתפתחות מערכת העצבים בעודו דו-ממדי, נטמע בו וממשיך לשנות צורה, להימתח ולהתקפל יחד עם הרקמות שמתחילות להיווצר. המכשיר מסוגל למדוד את פעילות תאי העצב ברחבי הרקמה הטרום-מוחית ולתעד איך מופיעה, מסתנכרנת ומתפתחת הדינמיקה העצבית ככל שהעובר מתפתח. כדי לוודא שעצם הטמעת המכשיר בתוך העובר לא פוגעת בתהליכי ההתפתחות, החוקרים השוו את העוברים הסייבורגיים לעוברים אחרים שלא עברו התערבות חיצונית, ולא מצאו כל הבדל מהותי ביניהם.

התוספת הייחודית במערכת הזאת היא האפשרות שהיא נותנת לחוקרים לתעד ברציפות את הפעילות החשמלית של תאי עצב בודדים ברחבי הרקמה, לאורך שלבי ההתפתחות העוברית הראשוניים. המערכת נבדקה על עוברי צפרדע וסלמנדרה מהמין אקסולוטל. במעקב אחר עוברי הצפרדע זיהו החוקרים מעבר הדרגתי בין דפוסים שונים של פעילות חשמלית בתאי העצב הצעירים. בשלב מוקדם נרשמה פעילות חשמלית איטית ומסונכרנת ברחבי הרקמה. בהמשך קצב הפעילות החשמלית עלה והתפתחו בו דפוסים ייחודיים בנקודות נפרדות ברחבי הרקמה המתפתחת, דבר שרומז על פעילות עצבית מקומית. 

אצל עוברי האקסולוטל, שמסוגלים לגדל מחדש איברים שנכרתו בתוך ימים ספורים, נבדקה פעילות תאי העצב הקשורה לתהליך ההתחדשות, כדי להבין את חלקה של מערכת העצבים בתהליך הזה. הם מצאו כי אחרי שקטעו לסלמנדרה את הזנב, קצב הפעילות של תאי העצב במוח עלה וכך גם ההתאמה ביניהם.

כדי לבדוק האם השינוי הזה באופן הפעילות תורם להתחדשות הזנב, החוקרים השתמשו בשתלים האלקטרוניים לא רק לתיעוד אלא גם להשפעה על הפעילות העצבית. הפעם הם העבירו דרך השתל זרם חשמלי למוח העובר, כדי לדמות הגברה נוספת של הפעילות החשמלית אחרי הקטיעה. הם מצאו כי אצל העוברים שבמוחותיהם הועבר זרם מלאכותי, תהליך השחזור הואץ.

החוקרים הראו גם סימני הצלחה ראשונים בהטמעת מערך אלקטרוני דומה בעוברים של עכברים וחולדות. כאן כבר מדובר ביונקים מורכבים שקרובים הרבה יותר אלינו, בני האדם, ולכן עשויים ללמד אותנו על ההתפתחות העצבית אצלנו. ג’יה ליו (Liu), ממובילי המחקר, מקווה שהשיטה שפיתחו תספק תובנות מועילות בזכות האפשרות שתיפתח לצפות בהתפתחות העוברית בשלביה המוקדמים. לטענתו, ייתכן שמצבים כמו אוטיזם, הפרעה דו-קוטבית (מניה-דיפרסיה) או סכיזופרניה מתפתחים כבר בשלבים מוקדמים של היווצרות רקמת המוח. בנוסף, אנחנו יודעים שפגמים קלים בהתפתחות מערכות העצבים עלולים ליצור מומים קשים ולפעמים אף קטלניים אצל ילדים שנולדים איתם. מדידה מוקדמת של הפעילות החשמלית תהיה מרכיב מהותי בדרך להבנה טובה יותר של התהליכים האלה.