פרס נובל לרפואה לשנת 2026 יוענק על תגליות שהובילו לפיתוח האופטוגנטיקה – שיטה לחקר המוח המשתמשת באור כדי לשלוט בפעילותם של תאי עצב. שלושת חתני הפרס - פיטר הגמן (Hegemann), גיאורג נאגל (Nagel) וקרל דיסרות' (Deisseroth) - תרמו לשלבים שונים של הדרך: הגמן ונאגל גילו ואפיינו חלבונים שמאפשרים לתאים להגיב ישירות לאור, ודיסרות' הראה כיצד אפשר להשתמש בחלבונים האלה כדי לשלוט בפעילות של תאי עצב באמצעות הארה.

פרסומת

כדי להבין את האופן שבו המוח עובד, חוקרים מודדים את פעילות המוח ומעלים השערות בקשר לאופן שבו היא מייצרת פעולות, רגשות ותהליכים קוגניטיביים אחרים. אולם כדי להוכיח או להפריך את השערותיהם באופן משכנע, חוקרי המוח רוצים גם לשלוט בפעילות המוח באופן ישיר וספציפי. זו משימה לא פשוטה, בהתחשב בכך שהפעילות המוחית מתבטאת בפולסים חשמליים קצרים שלרוב נמשכים אלפיות-השנייה בלבד, בין מיליארדי תאי עצב המקושרים זה לזה בדרכים מסועפות. כיצד אפשר להתערב בפעילות הזאת בצורה מדויקת, מהירה, ועוד באורגניזם חי?

אור הוא דרך מעולה לעשות זאת. פוטונים של אור יכולים לגרום לשינויים מהירים במגוון רחב של מולקולות, וחלק מהמנגנונים הרגישים לאור כבר קיימים באופן טבעי בכמה יצורים חיים. אחת הדוגמאות הבולטות היא מערכת הראייה, שבה תאי עצב הראייה הרגישים לאור מאפשרים לקלוט אור ולהמיר את המידע הזה לאותות חשמליים שמתורגמים למה שאנחנו רואים. חוקרים רבים ניסו להטמיע בתאי עצב את החלבונים שמעורבים בתהליך הראייה, ואז להאיר עליהם באמצעות לייזר, אך שיטות אלו לא נשאו פרי. הסיבה העיקרית לכך הייתה שבעוד שהחלבון הראשוני הגיב לאור, נדרשו בתאי העצב תהליכים נוספים כדי להמיר את התגובה הזו לאות חשמלי. לכן בסופו של דבר השיטות הללו היו איטיות מדי כדי לחקור את פעילות המוח בזמן אמת.

פיטר הגמן בכלל לא היה מדען מוח. לאחר סיום הדוקטורט שלו, הוא עבר לאוניברסיטת פנסילבניה ושם רצה לחקור את המנגנון שמאפשר לאצות חד-תאיות לנוע לעבר אור. לחלק ממיני האצות החד-תאיות ישנו אברון המשמש כמו עין, אשר קולטת את הכיוון שאור מגיע ממנו ומכתיבה את תנועת האצות באמצעות השוטונים שלהן. הגמן מצא שהתגובה של האצות לפולס של אור מהירה בצורה מדהימה – מיליוניות-שנייה בודדות. כשבדק לעומק את המנגנון, התברר שהוא נשען על חלבון לא מוכר שמתפקד כתעלת יונים רגישה לאור. כאשר אור באורך גל מתאים פוגע בחלבון, התעלה נפתחת ויונים יכולים לזרום דרך קרום התא. כך אפשר לתרגם את האור לשינוי במתח החשמלי של התא ישירות – ללא צורך בשרשרת ארוכה של תהליכים מולקולריים. בהמשך זיהה צוות המחקר של הגמן את הגנים המקודדים לשני חלבונים כאלו, וכינה אותם תחילה channelopsin-1 ו-channelopsin-2. 

בשלב זה הגמן יצר קשר עם גיאורג נאגל, מומחה לתעלות יונים ולאלקטרופיזיולוגיה במכון מקס פלאנק בפרנקפורט. יחד [3] הם הצליחו להחדיר את הגנים מהאצה החד-תאית לתאי ביצה של צפרדע והדגימו שבאמצעות אור אפשר לייצר פולס חשמלי גם בתאים אלה. אחד מהגנים הללו, channelopsin-2, התברר כמגיב לאור כחול. באמצעות הנדסה גנטית הם גם קיצרו את אורך החלבון באופן משמעותי, ונתנו לחלבון המהונדס את השם channelrhodopsin 2 (או בקיצור ChR2).

החוליה האחרונה בשרשרת התגליות והפיתוחים הייתה החוקר קרל דיסרות', פסיכיאטר בהכשרתו שבדיוק הקים מעבדה באוניברסיטת סטנפורד. דיסרות' החדיר את הגן של החלבון ChR2 לתאי עצב חיים בתרבית, והראה שהם אכן שולחים אות חשמלי בתגובה להארה. בשלב הבא הצליחו דיסרות' ועמיתיו להחדיר את ההוראות לייצור החלבון לתאי העצב אל מוחם של עכברים חיים, ובאמצעות סיב אופטי שהושתל במוחם להאיר על האזור במוח ששולט בתנועת הזיפים שעל אפם. כשהאירו אור כחול דרך הסיב האופטי, הזיפים של העכבר נעו מייד בתגובה [4]. ניסוי זה הראה שאפשר להשתמש ב-ChR2 כדי לשלוט בפעילות של תאי עצב במוח של בעל חיים חי, במהירות ובדיוק גבוהים. 

שיטה זו שינתה את תחום חקר המוח [5]. היא פתחה אפשרות להתערב בפעילות של תאים ומעגלים עצביים ספציפיים באורגניזם חי, ובכך לבחון באופן ישיר את הקשר הסיבתי בין פעילות עצבית ובין התנהגות. מאז פיתוח האופטוגנטיקה נעשה שימוש נרחב ב-ChR2 ובחלבונים אופטוגנטיים נוספים במחקרי מוח, והשיטות האלה הפכו לחלק מרכזי מארגז הכלים של חוקרי המוח במאה ה-21.

עריכה: שיר רוזנבלום-מן

מקורות לקריאה נוספת

1. פרס נובל 2026 - רפואה
2. אופטוגנטיקה
3. תיאור מציאת ChR2 על ידי הגמן ונאגל
4. ניסוי האופטוגנטיקה הראשון בעכברים
5. מאמר סקירה על התפתחות שיטת האופטוגנטיקה