רחרוח - שאיפות ונשיפות עדינות דרך האף - מאפשר לאנשים משותקים להתגבר על מגבלות תנועה שונות, לכתוב ולנווט כסא גלגלים. המערכת שפיתחו פרופ' נועם סובל, מהנדסי האלקטרוניקה ד"ר אנטון פלוטקין ואהרון וייסברוד, ותלמידת המחקר לי סלע מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, ביחד עם פרופ' נחום סורוקר מבית החולים לוינשטיין, מזהה שינויים בלחץ האוויר בחלל האף, ומתרגמת אותם לאותות חשמליים. בדיקה של המכשיר במתנדבים בריאים ומשותקים הראתה, כי השליטה בו מהירה ביותר, וכי הוא מאפשר להניע כסא גלגלים במסלול מורכב, ולשחק משחק מחשב במהירות ובדיוק דומים לאלה המושגים באמצעות עכבר מחשב או ג'ויסטיק. פרופ' סובל: "מרגש להיווכח שאנשים פגועים קשה, אשר סובלים מ'תסמונת כליאה'  - כלומר אנשים שתפקודם הקוגניטיבי תקין אך הם 'כלואים בתוך גופם' עקב שיתוק מלא - יכולים, באמצעות המערכת החדשה, לתקשר עם בני משפחותיהם, לענות על שאלות, ואף ליזום תקשורת עם הסביבה. הנכים שהשתמשו במכשיר כתבו מסרים מרגשים לבני המשפחה שלהם, ושיתפו אותם לראשונה במחשבות ובתחושות שלהם". ארבע מערכות כתיבה באמצעות רחרוח נמסרו לשימושם של ארבעה חולים שהשתתפו בבדיקתן. בימים אלה בוחנת חברת "ידע מחקר ופיתוח" - המקדמת יישומים תעשייתיים על בסיס המצאותיהם של מדעני מכון ויצמן למדע - אפשרויות למיסחור ולהפצה של הטכנולוגיה.

פעולת הרחרוח היא יכולת מוטורית מדויקת, הנשלטת, בין היתר, על-ידי מיקומו של החיך הרך - מחיצה גמישה שתנועתה מנתבת את מעבר האוויר דרך הפה (בשאיפה) או דרך האף (ברחרוח). השליטה על החיך הרך נעשית על-ידי מספר עצבים המגיעים ישירות מהמוח (מבלי לצאת מחלל הגולגולת). עובדה זו הובילה את צוות המדענים, בראשות פרופ' סובל, לשער כי היכולת לרחרח, כלומר לשלוט בתנועת החיך הרך, נשמרת גם במקרים של פגיעה עצבית חמורה, הגורמת שיתוק. בדיקה באמצעות דימות מגנטי תפקודי (fMRI) חיזקה את השערתם, כשהראתה כי השליטה בתנועת החיך הרך נעשית במספר רב של אזורי מוח. הם גם גילו, כי האזורים השולטים בתנועת החיך הרך חופפים במידה רבה אזורי מוח הקשורים בשפה. המדענים קיוו, כי הקשר הטבעי הזה יאפשר שימוש אינטואיטיבי במכשיר הרחרוח ליצירת תקשורת, ויתרום למהירות השימוש בו.

כדי לבדוק זאת, יצרו המדענים מכשיר אשר מודד את השינויים בלחץ האוויר בחלל האף (באמצעות חישן לא פולשני המותקן בפתח האף), ומתרגם אותם לאותות חשמליים. בשביל חולים מונשמים יוצרה גרסה סבילה (פסיבית) של המכשיר, המזרימה אוויר לתוך חלל האף. במקרה זה, על המשתמש במכשיר ללמוד להניע את החיך הרך - יכולת המושגת על-ידי כ-75% מהאוכלוסייה.  בדיקה ראשונית של המכשיר, בעזרת מתנדבים בריאים ששיחקו באמצעותו במשחק מחשב, הראתה כי יעילות מנגנון הרחרוח דומה לזו של יד השולטת בעכבר מחשב או בג'ויסטיק. החלפת משחק המחשב בתוכנה לכתיבת טקסט איפשרה למתנדבים לכתוב בקצב של כתשע אותיות בדקה. בשלב הבא, שנעשה בשיתוף עם פרופ' נחום סורוקר מבית-חולים לווינשטיין, השתתפו חולים הסובלים משיתוק בארבע הגפיים ומ"תסמונת כליאה" (locked-in syndrome). אחת החולות, שהייתה במצב כליאה במשך שבעה חודשים בעקבות שבץ, למדה להפעיל את המכשיר בתוך מספר ימים, והעבירה מסר ראשון לבני משפחתה. חולה אחר, שהיה כלוא במשך 18 שנים בעקבות תאונת דרכים, כתב לחוקרים כי המכשיר החדש נוח יותר ופשוט יותר מזה המבוסס על מצמוצי עיניים. עשרה חולים נוספים, הסובלים משיתוק בארבע הגפיים, הצליחו לכתוב ולהפעיל מחשב באמצעות רחרוח.

בנוסף להיותו אמצעי תקשורת יעיל, מהווה הממשק החדש גם אמצעי תחבורה. המדענים יצרו "בקר תנועה" המבוסס על "קוד רחרוחים" פשוט, בו שני רחרוחים פנימה (שתי שאיפות דרך האף) מסמנים "קדימה", שני רחרוחים החוצה מסמנים "אחורה",  רחרוח החוצה ואחריו פנימה מסמנים "שמאלה", ורחרוח פנימה ואחריו החוצה מסמנים "ימינה", וחיברו אותו לכסא גלגלים חשמלי. חולה הסובל משיתוק מהצוואר ומטה הצליח לנווט את הכסא לאורך מסלול מורכב - הכולל מספר פניות חדות - לאחר 15 דקות אימון, וברמת דיוק דומה לזו שהשיג אדם בריא.

"שפת הרחרוח" - המבוססת על כיוון (פנימה-החוצה), עוצמה ומשך משתנים - יוצרת רבגוניות שמאפשרת קביעת קודים מורכבים אשר יגבירו את הבטיחות, את הדיוק, ואת טווח הפעולה של המכשירים המופעלים באמצעותה. ייצורה של המערכת החדשה זול, וניתן ללמוד להפעיל אותה במהירות ובפשטות יחסית לממשקי מוח-מכונה אחרים. פרופ' סובל סבור, כי הפיתוח החדש נושא תקווה לא רק לאנשים משותקים, וכי הוא ייכנס לשימוש במיגוון תחומים נוספים, כמעין "יד שלישית" שתשרת רופאים, מנתחים, טייסים וכדומה.

 

 

 

 

כיצד רוכשים הדגים את הקשקשים הנוצצים שלהם? שאלה זאת מעסיקה מדענים כבר מאות שנים. באמצע המאה ה-17 היה המדען הבריטי רוברט הוק בין הראשונים שניסו לפענח את הרכב השכבה החיצונית של הזנבזיף - חרק בצבע אפור כסוף. עד שנות ה-60 של המאה ה-19 הצליחו מדענים לגלות את החומר האחראי לצבע המתכתי: גואנין, שהוא גם אחד ממרכיבי הדי-אן-אי.

רק עם הופעת מכשור מתקדם, המאפשר לצפות בחומרים ברמות רזולוציה גבוהות במיוחד, התחילו מדענים להבין כיצד המבנים העשויים גואנין - שהם חסרי צבע כשלעצמם - מסוגלים ליצור אפקטים ססגוניים כל-כך. באחרונה השתמשו ד"ר אביטל לוי-ליאור, פרופ' סטיבן ויינר ופרופ' ליאה אדדי מהמחלקה לביולוגיה מבנית, יחד עם ד"ר אייל שמעוני מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, כולם מהפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, במספר שיטות מיקרוסקופיות מתקדמות כדי לבחון ננו-מבנים של גואנין בקשקשי דגים ובעכבישים.

 

"הגואנין הוא החומצה הגרעינית היחידה שמופיעה לעיתים קרובות מחוץ לגדילי הדי-אן-אי, והגבישים שהוא יוצר מצויים במספר מינים של בעלי-חיים, ומשמשים בעיקר לצורך שליטה בקרני האור", אומר פרופ' ויינר. "אפשר למצוא אותו בעור, בקשקשים, ולעיתים גם בעיניים של בעלי-חיים".

 

החוקרים מצאו, כי לוחות הגואנין בדגים ובעכבישים דומים בגודלם ובעוביים. בנוסף ליכולתם להחזיר אור, גם הרווחים בין הלוחות והכיוונים שלהם קובעים את מידת הזוהר של התוצר הסופי. בשני היצורים, הלוחות מסודרים בערימות: בקשקשי דגים יש כ-30 גבישים בערימה, ואילו הערימות של העכבישים מכילות מספר קטן הרבה יותר של לוחות. מתברר, כי העכבישים מפצים על המחסור באמצעות מבנים דמויי כריך, שבהם "מילוי" של גואנין לא גבישי מצוי בין שני לוחות גואנין גבישיים. יחד עם ד"ר דן אורון ואוסיפ שוורץ, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, חישבו המדענים את מידת החזר האור הצפוי מכל אחד מהמבנים, והגיעו למסקנה כי הדגים והעכבישים משיגים בערך אותה רמה של החזר אור.

פרופ' ויינר: "נראה כי שני המבנים יעילים באותה מידה. עם זאת, הממצאים שלנו מראים כי הדגים והעכבישים משתמשים במנגנונים שונים מעט כדי לשלוט בגידול הגבישים. עובדה זו מרמזת, כי למרות ששני הצבעים נראים דומים לעין, הם עברו התפתחות אבולוציונית נפרדת. למעשה, אפשר להניח כי השימוש בגבישי גואנין התפתח פעמים רבות במינים שונים".  

 

 

 

 

 

 

 

 

שחקני פריזבי יודעים, שה"סוד" לכיוון הצלחת המעופפת היישר אל זוג הידיים המחכה ממול הוא סיבובה בשיפוע המתאים. פרופ' איליה אברבוך ותלמיד המחקר ארז גרשנבל, מהמחלקה לפיסיקה כימית בפקולטה לכימיה, השתמשו בעיקרון דומה בעבודתם עם מולקולות מסתובבות בשדות חשמליים ומגנטיים. המחקר התיאורטי שלהם עשוי לפתוח דרך ליישומים שונים בתחומים רבים, כמו ננוטכנולוגיה, אופטיקה, כימיה ועוד.

 

כעיקרון, משחק עם אטומים או מולקולות המוצבים בשדות אחידים במרחב צריך להיות די משעמם: חלקיקים נייטרליים כאלה אינם מבחינים ואינם מגיבים כאשר שדה חשמלי או  מגנטי מופעל עליהם, או כאשר לייזר אחיד מכוון עליהם. חלקיק בעל מטען, כמו אלקטרון, יואץ על-ידי השדות האלה, אבל אטום או מולקולה, שהמטען החשמלי הכולל שלהם הוא אפס, יישארו במצב מנוחה או ימשיכו לנוע במהירות קבועה בדרכם מאי-כאן לאי-שם. זה לא אומר שחלקיקים נייטרליים אינם רגישים לשדה שסביבם: בהשפעת השדה הם הופכים קוטביים, והמטענים החשמליים שלהם נפרדים - המטענים החיוביים זזים לצד אחד של החלקיק, השליליים לצד השני. העניין הוא, שהכוחות שפועלים על המטענים האלה מאזנים זה את זה, ולמעשה מבטלים זה את השפעתו של זה. כך או כך, בסופו של דבר האטומים והמולקולות האלה אינם מרגישים שום דחף ו"אינם מרגישים צורך ללכת לשום מקום".

מדענים שונים התקדמו מעט בניסיונותיהם להניע אטומים נייטרליים. הטכניקה שפותחה בתחום זה כרוכה בייצור שדה לא אחיד שבו הכוח בצד אחד של האטום המקוטב חזק מהכוח שבצדו השני. הכוח החזק יותר מכתיב את הכיוון - והאטום הנייטרלי זז. רוב האטומים דומים ל"כדורגל" עגול - הקיטוב יכול להתרחש בכל כיוון. אבל אפילו המולקולות הפשוטות ביותר, כמו מולקולות מימן, מתאפיינות במבנה שאינו עגול. המימן, למשל, נראה יותר כמו משקולת המשמשת בהתעמלות. המולקולות הקוטביות מפרידות את המטענים שלהן לשני קצוות ה"משקולת", ולכן מולקולה העומדת בניצב לשדה תושפע אחרת ממולקולה זהה שממוקמת במקביל אליו. פרופ' אברבוך וארז גרשנבל הבינו, שכמו במשחק פריזבי, כיוון ציר המולקולה וסחרורה חייבים למלא תפקיד במשחק של הזזת מולקולות.

במחקרם התיאורטי הצליחו המדענים לגרום למולקולות להסתחרר מסביב לכל ציר שבחרו, באמצעות "בעיטות" מדויקות של פעימות לייזר קצרות מאוד. אחר כך הכניסו את המולקולות האלה לשדה הלא אחיד - והניחו להן לחוש את הכוח.

המולקולות אכן האיצו את תנועתן בשדה, אבל המדענים מצאו שהם יכולים לשלוט,  בדיוק רב, על כיוון התנועות שלהן ועל קצבן. "המולקולות המסתחררות האלה, הניתנות לקיטוב, מתנהגות כמעין ג'ירוסקופים זעירים", אומר פרופ' אברבוך. "השליטה בצירי הסחרור מאפשרת לכוון אותן בדיוק לכל מקום שנרצה. השתמשנו בלייזרים כמקור השדה, אבל אותו עיקרון יפעל בשדות חשמליים סטטיים או מגנטיים".

ממצאים אלה עשויים להתוות דרך לפיתוח יישומים רבים, וקבוצות מחקר מדעיות שונות כבר התעניינו בשיטה. אפשרות אחת היא פיתוח אופטיקה מולקולרית, שתפעל על-פי כללים הדומים לאלה של מיקרוסקופיית אלקטרונים או אופטיקה אטומית. אופטיקה כזאת עשויה לעמוד בבסיסן של טכנולוגיות דימות חדשות. בתחום הננוטכנולוגיה עשויה השיטה הזאת לשמש למיקוד אלומות של מולקולות מסתחררות אל מטרות מוגדרות, ובדרך זו לשלוט בתהליך השקיעה של מולקולות על משטח.   

כשכותבים דוא"ל, קל מדי להקליק על כפתור ה"שלח" לפני שאנו קוראים אותו פעם נוספת. אחר-כך מתחרטים על הטעות המביכה שנשכחה ונשלחה. אבל כששולחים מסרים גנטיים בתא, אסור לוותר על ההגהות. במקרה כזה, הטעויות עשויות לגרום לא רק למבוכה, אלא אף לסרטן או למחלות אחרות.         

תהליך הגהה חשוב על ייצור החלבונים מתרחש בגרעין התא בשלב האר-אן-אי-שליח - המולקולה ש"מסיעה" את הוראות הייצור מהגרעין למכונות לייצור חלבונים. לאחר שההוראות המצויות בגנים משועתקות למולקולות אר-אן-אי-שליח ראשוניות, הן עוברות תהליך הקרוי "שחבור" (splicing): מקטעים של הצופן הגנטי נגזרים ומתחברים מחדש זה לזה, לפעמים במספר דרכים שונות, לשם קבלת המולקולה הסופית. כתוצאה מתהליך זה, אפשר "לכתוב" מסרים שונים המבוססים על אותו רצף גנטי ראשוני.

ממצאים שונים רומזים, כי תהליך השחבור מורכב יותר מגזירה והדבקה פשוטות של מקטעים שונים. פרופ' יוסף שפרלינג וד"ר אייל קמחי מהמחלקה לכימיה אורגנית שבפקולטה לכימיה במכון, יחד עם פרופ' רות שפרלינג וד"ר אולג רייטסקין מהאוניברסיטה העברית בירושלים, הבחינו כי מקטעים מסוימים לא תמיד נכנסים לגרסה הסופית, וזאת למרות שהם מסומנים בסימנים ברורים כמתאימים לשחבור. יש לכך סיבה טובה: מקטעים אלה נושאים קוד "עצור" -  שלושה בסיסים גנטיים המסמנים את סוף ייצור החלבון. הכנסת אר-אן-איי-שליח הנושא את הקוד במיקום לא-נכון לתוך מכונות ייצור החלבונים (ריבוזומים) עלולה לגרום לייצור חלבונים פגומים, ובכך לשבש תהליכים ביולוגיים חשובים.

מנגנון השחבור יודע כי עליו לדלג על המקטעים הנושאים את הקוד "עצור", ולעבור למקטעים הבאים. אך כיצד בדיוק הוא יודע זאת? בני הזוג שפרלינג וצוותי המחקר שלהם חקרו את תהליך ההגהה הזה. הממצאים שלהם, שהופיעו באחרונה בכתב העת של האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב (PNAS), קוראים תיגר על צורת החשיבה המקובלת באשר לדרך בה הגנים מתורגמים לחלבונים.

 

 לפי ממצאיהם, ההגהה נעשית על-ידי מולקולה מסוימת של אר-אן-אי הקרויה "אר-אן-אי-מעביר- מאתחל". מולקולה קטנה זו כבר מוכרת למדענים כבעלת תפקיד חיוני בתהליך ייצור החלבונים בריבוזום: שם, אר-אן-אי-מאתחל קורא את צופן ה"התחל" שבתחילת רצף ההוראות שבאר-אן-אי-שליח, ונותן את הפקודה להתחיל לייצר את החלבון. המחקר החדש מראה, שמולקולות האר-אן-אי-מאתחל נכנסות לתמונה בשלב מוקדם הרבה יותר משסברו עד כה - כבר בזמן שהעותקים הראשוניים של האר-אן-אי-שליח עוברים את תהליך השחבור בגרעין התא.כמו בתהליך ייצור חלבונים, גם במקרה זה הן מקבלות את האות לפעול מצופן ה"התחל" שברצף הגנטי. אך בתהליך השחבור, נראה כי האר-אן-אי-המאתחל מחפש גם את הקוד המורה "עצור", וגורם למנגנון השחבור לא לכלול באר-אן-שליח את המקטעים האלה.  כדי לבדוק זאת, יצרו המדענים רצפים גנטיים מלאכותיים שהכילו קודי "התחל" שעברו מוטציה - כך שהאר-אן-אי-מאתחל לא יכול היה לקרוא אותם.במקרה זה, גם מקטעים שהכילו קודי "עצור" שרדו את שלב השחבור. בהמשך, הוסיפו המדענים אר-אן-אי-מאתחל שעבר מוטציה תואמת, כך שיוכל לקרוא קודי "התחל" משובשים, והבקרה הושבה על כנה.

"רוב המדענים לא האמינו כי האר-אן-אי-מעביר-מאתחל יכול להיות מעורב בשלב מוקדם כל כך של ייצור החלבונים, אבל התוצאות שקיבלנו מסירות כל ספק", אומר פרופ' יוסף שפרלינג. פרופ' רות שפרלינג מוסיפה: "קיים חשש כי מקטעים המכילים קודי 'עצור' הנכנסים לתהליך השחבור,ונכללים בטעות בהוראות לייצור חלבונים, עשויים להיות מעורבים בסרטן ובמחלות נוספות. הממצאים שלנו מראים כיצד טעות כזאת עשויה לקרות".