השנה בביולוגיה

הזיכרונות שלנו הם אבן היסוד של הזהות שלנו. חשיבותם היא חלק גדול ממה שהופך את מחלת האלצהיימר וצורות אחרות של דמנציה לאכזריות ונוקבות כל כך. זו הסיבה שכל כך קיווינו שהמדע יספק תרופה לאלצהיימר, ומדוע זה כל כך מתסכל וטרגי שטיפולים מועילים איחרו להופיע. התרגשות רבה אפפה אפוא את ההכרזה בספטמבר כי תרופה חדשה, לקנמב, האטה את התקדמות המחלה בניסויים קליניים. אם הוא יאושר על ידי מינהל המזון והתרופות, לקנמב יהפוך רק לטיפול השני באלצהיימר שנוגד חלבון עמילואיד-בטא, שבאופן נרחב אמור להיות הגורם למחלה. 

עם זאת, ההשפעות של לקנמב כל כך שוליות עד שחוקרים מתלבטים אם התרופה באמת תעשה הבדל מעשי עבור החולים. העובדה שלקנמאב בולט כנקודת אור מעידה על כמה עגום מההיסטוריה של המחקר על טיפולים באלצהיימר. בינתיים, הבנה מעמיקה יותר של הביולוגיה הפועלת מעוררת עניין בתיאוריות האלטרנטיביות המובילות למה שגורם למחלה.

ספקולציות לגבי אופן פעולת הזיכרון ישנות לפחות כמו אפלטון, שבאחד הדיאלוגים הסוקרטיים שלו כתב על "מתנת הזיכרון, אם המוזות", והשווה את פעולתו לחותמת שעווה בנפש. אנו יכולים להיות אסירי תודה על כך שהמדע השתפר מאוד בהבנתנו את הזיכרון מאז זמנו של אפלטון - החוצה עם חותמות השעווה, עם "אנגרמות" של שינויים בתאי העצב שלנו. בשנה האחרונה בלבד, חוקרים עשו צעדים מרגשים לקראת למידה כיצד והיכן במוח שוכנים היבטים שונים של הזיכרונות שלנו. באופן מפתיע יותר, הם אפילו מצאו מנגנונים ביוכימיים שמבדילים בין זיכרונות טובים לרעים.

מכיוון שאנו יצורים עם מוח, אנו חושבים לעתים קרובות על זיכרון במונחים נוירולוגיים בלבד. עם זאת, עבודה שפורסמה בתחילת 2022 על ידי חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה מציעה שאפילו תאים בודדים ברקמות מתפתחות עשויים לשאת תיעוד כלשהו של ההיסטוריה של השושלת שלהם. נראה שתאי גזע אלה מסתמכים על המידע המאוחסן כאשר הם עומדים בפני החלטות כיצד להתמחות בתגובה לרמזים כימיים. ההתקדמות בביולוגיה בשנה האחרונה חשפה גם הפתעות רבות אחרות, כולל תובנות לגבי האופן שבו המוח מסתגל לאי ספיקה מתמשכת של מזון וכיצד תאים נודדים הולכים בנתיב בגוף. כדאי להסתכל אחורה על כמה מהטובים של העבודה הזו לפני שהגילויים של השנה הקרובה יתנו לנו שוב נקודת מבט חדשה על עצמנו.

אנשים רבים התחברו למחלת האלצהיימר, בין אם באמצעות מחקר או באמצעות קשרים אישיים עם חולים, קיוו ש-2022 תהיה שנת פרס. ניסויים קליניים גדולים יגלו סוף סוף אם שתי תרופות חדשות המטפלות בגורם השורש הנתפס של המחלה פעלו. התוצאות למרבה הצער לא היו מהציפיות. אחת התרופות, lecanemab, הראתה פוטנציאל להאט מעט את הירידה הקוגניטיבית של חלק מהמטופלים, אך הייתה קשורה גם לתופעות לוואי קטלניות לפעמים; השני, gantenerumab, נחשב לכישלון מוחלט. 

התוצאות המאכזבות מכסות שלושה עשורים של מחקר המבוסס בעיקר על התיאוריה שמחלת אלצהיימר נגרמת על ידי פלאקים של חלבוני עמילואיד המצטברים בין תאי המוח והורגים אותם. עם זאת, עדויות מצטברות מצביעות על כך שעמילואיד הוא רק מרכיב אחד ב-a תהליך מחלה מורכב הרבה יותר זה כרוך בפגיעה בדלקת ותקלות באופן שבו תאים ממחזרים את החלבונים שלהם. רוב הרעיונות הללו קיימים כל עוד השערת העמילואיד, אך הם רק מתחילים לקבל את תשומת הלב הראויה.

למעשה, הצטברויות של חלבונים סביב תאים מתחילות להיראות כמו א תופעה כמעט אוניברסלית ברקמות מזדקנות ולא מצב מיוחד למחלת עמילואיד ואלצהיימר, על פי עבודה של חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד שהוכרזה בהדפסה מוקדמת באביב שעבר. התצפית עשויה להיות הוכחה נוספת לכך שהחמרה בבעיות בניהול חלבון עשויה להיות תוצאה שגרתית של הזדקנות התאים.

מדעני מוח כבר מזמן הבינו הרבה על איך נוצרים זיכרונות - באופן עקרוני. הם ידעו שכאשר המוח תופס, מרגיש וחושב, הפעילות העצבית המולידה את החוויות הללו מחזקת את הקשרים הסינפטיים בין הנוירונים המעורבים. אותם שינויים מתמשכים במעגלים העצבים שלנו הופכים לרישומים הפיזיים של הזיכרונות שלנו, מה שמאפשר לעורר מחדש את הדפוסים החשמליים של החוויות שלנו כאשר הם נחוצים. הפרטים המדויקים של התהליך הזה היו בכל זאת סודיים. בתחילת השנה, זה השתנה כאשר חוקרים מאוניברסיטת דרום קליפורניה תיארו טכניקה עבור לדמיין את השינויים הללו כפי שהם מתרחשים במוח חי, שבו הם השתמשו כדי לראות דג לומד לקשר חום לא נעים עם רמז קל. להפתעתם, בעוד שתהליך זה חיזק כמה סינפסות, הוא מחק אחרות. 

תוכן המידע של זיכרון הוא רק חלק ממה שהמוח אוגר. זיכרונות מקודדים גם עם "ערכיות" רגשית שמסווג אותם כחוויה חיובית או שלילית. בקיץ שעבר, חוקרים דיווחו כי נראה כי רמות של מולקולה בודדת המשתחררות על ידי נוירונים, הנקראים נוירוטנסין, פועלות כדגלים לתיוג זה. 

החיים על פני כדור הארץ החלו עם הופעתם הראשונה של תאים לפני כ-3.8 מיליארד שנים. אבל באופן פרדוקסלי, לפני שהיו תאים, בטח היו אוספים של מולקולות שעושות דברים מפתיעים כמו חיים. במהלך העשור האחרון, חוקרים ביפן ערכו ניסויים עם מולקולות RNA כדי לגלות אם סוג אחד של מולקולה משכפלת יכול להתפתח להמון של משכפלים שונים, כפי שחוקרים על מקור החיים שיערו שבטח התרחש בטבע. המדענים היפנים גילו שהגיוון הזה אכן התרחש, כאשר מולקולות שונות התפתחו יחד למארחים מתחרים וטפילים שעלו וירדו בדומיננטיות. במרץ האחרון דיווחו המדענים על התפתחות חדשה: המולקולות המגוונות החלו לעבוד יחד ב- מערכת אקולוגית יציבה יותר. עבודתם מציעה ש-RNA ומולקולות אחרות בעולם הפרה-ביוטי יכלו להתפתח במקביל כדי להניח את היסודות לחיים התאיים.

לעתים קרובות מתייחסים לשכפול העצמי כצעד הראשון החיוני בכל השערת מקור חיים, אבל זה לא חייב להיות. השנה, ניק ליין וביולוגים אבולוציוניים אחרים המשיכו למצוא ראיות שלפני שתאים היו קיימים, מערכות של "פרוטו-מטבוליזם" המערבות קבוצות מורכבות של תגובות אנרגטיות עשויות להתעורר בחומרים הנקבוביים ליד פתחי אוורור הידרותרמיים.

כיצד גדל תא ביצית מופרית לגוף אדם בוגר עם למעלה מ-30 טריליון תאים ביותר מ-200 קטגוריות מיוחדות? זוהי התעלומה המהותית של ההתפתחות. במשך רוב המאה הקודמת, ההסבר העיקרי היה ששיפועים כימיים שנוצרו בחלקים שונים של הגוף המתפתח מנחים את התאים למקום שבו הם נחוצים ואומרים להם כיצד להתמיין למרכיבי העור, השרירים, העצמות, המוח ועוד. איברים. 

אבל נראה כי כימיקלים הם רק חלק מהתשובה. מחקרים אחרונים מצביעים על כך שבעוד שתאים משתמשים ברמזים כימיים לשיפוע כדי להנחות את הניווט שלהם, הם גם עוקבים אחריהם דפוסי מתח פיזי ברקמות המקיפות אותם, כמו הולכי חבל דק שחוצים כבל מתוח. מתח פיזי עושה יותר מאשר להגיד לתאים לאן ללכת. עבודות אחרות שדווחו במאי הראו שכוחות מכניים בתוך העובר עוזרים גם לגרום לקבוצות של תאים הופכים למבנים ספציפיים, כגון נוצות במקום עור.

בינתיים, ביולוגים סינתטיים - חוקרים הנוקטים בגישה הנדסית לחקר החיים - עשו התקדמות חשובה בהבנת סוגי האלגוריתמים הגנטיים השולטים כיצד תאים מתמיינים בתגובה לרמזים כימיים. צוות ב-Caltech הדגים א רשת מלאכותית של גנים שיכול להפוך ביציבות תאי גזע למספר סוגי תאים מיוחדים יותר. הם לא זיהו מהי מערכת הבקרה הגנטית הטבעית בתאים, אבל הצלחת המודל שלהם מוכיחה שמה שהמערכת האמיתית תהיה, היא כנראה לא צריכה להיות הרבה יותר מסובכת.

המוח הוא האיבר הכי רעב לאנרגיה בגוף, אז אולי זה לא מפתיע שהאבולוציה הגתה אסטרטגיית חירום כדי לעזור למוח להתמודד עם תקופות ארוכות של מחסור במזון. חוקרים מאוניברסיטת אדינבורו גילו שכאשר עכברים צריכים לשרוד במנות קצרות במשך שבועות ארוכים, המוח שלהם מתחיל לפעול בשווי ערך מצב "הספק נמוך".. 

במצב זה, נוירונים בקליפת המוח החזותית משתמשים בכמעט 30% פחות אנרגיה בסינפסות שלהם. מנקודת מבט הנדסית, זה פתרון מסודר למתיחה של משאבי האנרגיה של המוח, אבל יש לו מלכוד. למעשה, מצב הספק נמוך מפחית את רזולוציית הראייה של החיה על ידי הפיכת אותות מערכת הראייה לעיבוד פחות מדויקים. 

מבט הנדסי של המוח גם שיפרה לאחרונה את ההבנה שלנו לגבי מערכת חושית אחרת: חוש הריח שלנו. חוקרים ניסו לשפר את יכולתם של "אף מלאכותי" ממוחשב לזהות ריחות. מבנים כימיים לבדם עושים דרך ארוכה לקראת הגדרת הריחות שאנו מקשרים למולקולות שונות. אבל עבודה חדשה מעידה על כך שה תהליכים מטבוליים היוצרות מולקולות בטבע משקפות גם את חוש הריח של המולקולות שלנו. רשתות עצביות שכללו מידע מטבולי בניתוחים שלהן התקרבו משמעותית לסיווג ריחות כמו שבני אדם עושים.

מוח אנושי חי הוא עדיין דבר שקשה מאוד לחקור למדעני מוח: הגולגולת חוסמת את השקפתם ושיקולים אתיים שוללים ניסויים רבים שעלולים להיות אינפורמטיביים. זו הסיבה שחוקרים החלו לגדל רקמת מוח מבודדת במעבדה ולתת לה ליצור "אורגנואידים" בעלי דמיון פיזי וחשמלי למוחות אמיתיים. השנה, מדען המוח סרג'יו פשקה ועמיתיו הראו עד כמה רחוק קווי הדמיון הללו באמצעות השתלה אורגנואידים במוח האנושי לחולדות מעבדה שזה עתה נולדו. התאים האנושיים שילבו את עצמם במעגלים העצביים של החיה ולקחו תפקיד בחוש הריח שלה. יתרה מכך, הנוירונים המושתלים נראו בריאים יותר מאלה שגדלו באורגנואידים מבודדים, מה שמרמז, כפי שציין פאשקה ב ראיון עם Quanta, החשיבות של אספקת נוירונים עם תשומות ויציאות. העבודה מצביעה על הדרך לפיתוח מודלים ניסויים טובים יותר למוחות אנושיים בעתיד.