גיזום ועיצוב: כך מתפתח המוח

המוח העוברי המתפתח דומה במידה רבה לפרדס צומח. תאי העצב הגדלים מצמיחים ענפים מסועפים, אך עם הזמן, כאילו בידי גנן בלתי נראה, "נגזמים" הענפים המיותרים, וקישורים רבים בין תאי העצב נמחקים. לאחר מכן מצמיחים חלק מהתאים ענפים חדשים, אשר מרשתים את המוח הבוגר בדייקנות מדהימה.

תהליך ה"גיזום" המרתק הזה, החיוני לקביעת דמותו ותפקודו של המוח הבוגר, נחקר במעבדתו של ד"ר אורן שולדינר, שהצטרף באחרונה למחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע.

ד"ר שולדינר שואף לגלות את המנגנונים המולקולריים אשר שולטים בעיצוב ה"נוף" של תאי העצב (הנוירונים): מה הם התהליכים והמולקולות אשר גורמים לחלקים של האקסונים - השלוחות הארוכות של הנוירונים - להתפרק ולהיעלם? איך יודע האקסון באיזו נקודה בדיוק להתחיל את הפירוק? איך מתחיל האקסון לצמוח מחדש? ואילו תפקידים ממלאים התאים השונים במוח בתהליכים אלה?

השיטה שבה המוח מעצב את עצמו, באמצעות גיזום, עשויה להיראות בזבזנית במבט ראשון. אבל מדענים לא מעטים סבורים, כי הצמיחה הבלתי-מרוסנת לכאורה של האקסונים ממלאת תפקיד מרכזי בהתפתחות העוברית. ייתכן, למשל, שקל יותר להצמיח ענפים רבים - אשר יבטיחו יצירת עודף של קשרים בין תאיים, מעבר לאלה הנחוצים להפעלת המוח - ולאחר מכן לקצץ את הקשרים המיותרים ולעצב במדויק את מעגלי המוח הנחוצים לפעילותו.

החלופה האפשרית למנגנון זה היא בניית מעגלים מדויקים מלכתחילה - תהליך שמחייב מנגנוני בקרה מורכבים מאוד. בכל אופן, גיזום אקסונים הוא ללא ספק סיפור הצלחה אבולוציוני. לכן הוא מתקיים במיגוון רחב של יצורים חיים, מתולעים ועד ליונקים, וסביר מאוד להניח שהוא קיים גם בבני-אדם.

תאי עצב נורמליים ומוטנטים במוח גולם בן 24 שעות של זבוב-פירות. במוח הנורמלי (מימין) האקסונים עוברים גיזום בנקודה (המסומנת בחץ) בה האקסון הראשי מתפצל לשניים. במוח המוטנטי (משמאל), המוטציה מונעת את הגיזום, כך שהאקסונים (מסומנים בחיצים) נשארו שלמים גם לאחר נקודת הפיצול

מאגר של זבובים מוטנטים

ד"ר שולדינר חוקר את תהליך גיזום האקסונים בזבובי פירות, הידועים כמודל מתאים למחקרים התפתחותיים-גנטיים. מעבר לגודלם הנוח ולזמן הדור הקצר שלהם, זבובי הפירות שימושיים במיוחד בחקר תהליכי עיצוב מחדש במערכת העצבים בזכות השינויים הגדולים שהם עוברים בחייהם - מזחל לגולם ומגולם לזבוב בוגר - אשר כרוכים בתהליכים משמעותיים של גיזום ועיצוב מחדש של המוח.

במחקר הבתר-דוקטוריאלי שביצע בקבוצתו של פרופ' ליצ'ן לו (Liqun Luo) מאוניברסיטת סטנפורד, פיתח ד"ר שולדינר שיטה אשר מזרזת במידה רבה את הסריקה הגנטית של זבובי הפירות. סריקות מסוג זה נועדו לברר את תפקידו של גן מסוים באמצעות יצירת מוטציה בגן, ובדיקת התוצאות של המוטציה. בשלב הבא ממפים המדענים את מיקומו של הגן הנבדק בגנום.

כדי לחקור תהליכים בהתפתחות מערכת העצבים השתמש ד"ר שולדינר בשיטה ייחודית שפיתח פרופ' לו, שנקראת MARCM, המאפשרת ליצור מוטציות בתאי עצב בודדים ולבחון את תהליך ה"גיזום" שלהם במוח השלם. ד"ר שולדינר פיתח שיטה המאפשרת יצירה אקראית של מוטציות המותאמות ל-MARCM וניתנות למיפוי מהיר. כך התקצר תהליך מיפוי גן של זבוב הפירות, שעד אז נמשך כשנה, ליומיים בלבד.

באמצעים אלה ייצרו ד"ר שולדינר ושותפיו למחקר כ-2,500 סוגי זבובים מוטנטיים. מאגר זה, המכסה כחמישית מגנום הזבוב, מספק כלי מחקרי רב-עוצמה למדענים בכל העולם, אשר עוסקים בגנטיקה של זבובי פירות. עד כה הצליח ד"ר שולדינר לאתר כעשרה גנים המעורבים במנגנוני גיזום אקסונים - כמחצית ממספר הגנים הידועים. במכון ויצמן למדע הוא מתכנן לחקור את תפקידם המדויק של הגנים האלה.

אחד הגנים שגילה משמש מתג מולקולרי ראשוני, אשר גורם לצמיחה מחדש של אקסונים לאחר הגיזום. ד"ר שולדינר מתכוון לברר האם גן זה גם גורם לצמיחה מחדש של אקסונים לאחר פגיעה עצבית, והאם ניתן להפעילו כדי לגרום לצמיחה כזאת לצורך טיפולים עתידיים אפשריים. לאור הדמיון הרב בין תהליכי הגיזום הטבעיים במוח הזבוב לבין שבירת אקסונים המתחוללת כתוצאה ממחלות מוח ניווניות או בעקבות פגיעה מוחית, ייתכן כי מחקריו יספקו תובנות חדשות באשר לאופי הנזק והדרכים לתיקונו.