קטגוריות:

בחר הכל

ברכות

כנס

מחקר

מחקר בפקולטה

פוקוס

חדשות

NEWS

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
Advanced chemical oxidation processes
AI
Beetles
Bioelectronics
Biomedical
Biomimetics
Biomimicry
chemical oxidation
CO2 storage
Cyber Security
Deep learning
drone
environment
Environmental implications
exotic mechanics
Geophysical and environmental fluid dynamics
groundwater
Health
Hemodynamics and Biomechanics
Interfacial Phenomena
Machine Learning
materials for water
Mechanical Engineering
Metamaterials
Molecular Electronics
Nanoelectronics
nanomaterials
Nanophotonics
nanotechnologies
Nonlinear optics
numerical modelling
Numerical models
oil and natural gas
optical nanosensors
Optics
Radio Physics and Engineering
Remote sensing of waves
Self-Assembled Monolayers
Smart Biomedical Materials
Social Contagion
Terahertz optics
Topological defects
Transient Free and Submerged Impinging Jets
Viral Marketing
Water waves
בדיקות מעבדה בעזרת רשת נוירונים ללימוד עמוק בפחות זמן וכסף

מחקר

19.04.2020
צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים בעזרת רשת נוירונים עתידה לייעל בדיקות מעבדה

פרופ' נתן שקד מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, פיתח יחד עם המסטרנט יואב נייגט ושאר צוות החוקרים שלו רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת לבצע צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים, בלי צורך בצביעה כימית אמיתית שלהם.

  • Virtual Staining
  • Biological Cells
  • HoloStain
  • Virtual Staining
  • Biological Cells
  • HoloStain

החודש התפרסם מאמרו של פרופ' שקד במגזין היוקרתי PNAS, הנחשב לאחד העיתונים המדעיים הטובים והוותיקים בעולם. במאמר הצליחו פרופ' שקד וקבוצתו להציג גישה חדשה של למידה עמוקה הנקראת HoloStain, אשר ממירה תמונות של תאים ביולוגיים מבודדים, שנרכשו ללא צביעה כימית על ידי מיקרוסקופיה הולוגרפית, לתמונותיהם הצבועות דיגיטלית, עם יכולת לראות אברונים (חלקים מהתא בעלי תפקידים ספציפיים) בתוך התאים, כאילו שמדובר בתאים צבועים באמת.

 

תאים ביולוגיים בצלוחית המצולמים במיקרוסקופ אור הם ברובם שקופים ולא ניתן לראות את התוכן שלהם. צביעת תאים היא טכניקה המקלה ומשפרת את הצפייה בתאים אלו ונמצאת בשימוש רחב בביולוגיה וברפואה, למשל כדי לאבחן מחלות או לבצע בדיקות מעבדה סטנדרטיות. פעולתה העיקרית היא שיפור ניגודיות הצבעים המאפשרת לראות את המבנה הפנימי של התאים למרות שקיפותם. הצביעה נעשית באמצעות קשירה כימית בין מולקולת הצבען (חומר הצביעה) לבין המולקולה הספציפית לה בתא, וכך אפשר לראות את האברונים הפנימיים בתוך התא ולאבחן את מבנהו.

 

הולוגרפיה קלינית

פרופ' שקד וקבוצתו פיתחו דרך לדימות טופוגרפי כמותי של תאים ללא צביעה המבוססת על הולוגרפיה קלינית, אשר מקליטה עד כמה האור התעכב במעבר דרך התאים, מה שמניב מפות גובה כמותיות של התאים. את זה ניתן לעשות מהר מאוד, אפילו תוך כדי זרימה של התאים. המערכות הללו היו עד לא מזמן מסובכות ויקרות מידי לשימוש קליני, אך הדבר נפתר בעזרת המצאותיה האחרונות של הקבוצה - מודולים הולוגרפים קטנים שמתממשקים ליציאה של מיקרוסקופי אור קליניים רגילים ויכולים להניב הולוגרפיה איכותית בתנאים קליניים.

 

מבעיה לפתרון

למרות שהתמונות של ההולוגרפיה הן כמותיות ולא דורשות צביעה כימית, קלינאים מתקשים להשתמש בהן, כי הן לא נראות כמו תמונות של תאים צבועים, ששם רואים בבירור את האברונים הפנימיים של התא. לצורך פתרון בעיה זו, קבוצת המחקר בנתה רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת, לאחר אימון מתאים, לקחת את תמונות ההולוגרפיה ולהציג אותן כאילו הן צבועות, בזמן אמת (במהירות רבה).

 

שיטות לבניית רשתות לימוד עמוק התפתחו רק לאחרונה עקב הצורך בכוח חישוב רב בזמן האימון שלהן.  

 

היתרונות לצביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים

צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים חשובה לבדיקות מעבדה שגרתיות רבות שבהן צובעים תאים כדי לאפיין ולמיין אותם (למשל בדיקת דם). כעת, כבר לא חייבים לצבוע את התאים בצורה כימית לצורך אבחנה מבנית שלהם, וזה עתיד לחסוך כסף וזמן. בנוסף, יש משימות רפואיות שבהן צביעה כימית לא אפשרית בגלל שהיא הורסת את התא (למשל בחירת זרעונים להפריה חוץ גופית), או בגלל שהצבענים המתאימים לא קיימים לסוג התאים הנבחן. מעבר לכך, התמונות שמייצרת הרשת הלומדת נקיות יותר, וגם ניתן לקחת תאים שנרכשו שלא בפוקוס ולהכניס אותם לפוקוס בצורה אוטומטית במחשב, מכיוון שהרכישה היא הולוגרפית (כלומר של כל חזית הגל של האור). זה מגדיל את האפשרות לעבד יותר תאים בזמן נתון (כי אם עוברים שני תאים - אחד בפוקוס והשני לא בפוקוס במכשיר שמזרים תאים - ניתן לרכוש את שניהם מבלי לאבד זמן).

שורה ראשונה - מפות טופוגרפיות כמותיות של תאי זרע שהושגו על ידי הולוגרפיה ללא צביעה. 

שורה שניה - תמונות של תאי זרע צבועים וירטואלית (ללא צביעה אמיתית) - זוהי תוצאת רשת הנוירונים לאחר עיבוד המפות הטופוגרפיות שמוצגות בשורה הראשונה.

שורה שלישית - אותם תאים שצבועים באמת, על ידי צביעה כימית, להשוואה.

שלוש העמודות השמאליות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה תקינה. שלוש העמודות הימניות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה שאינה תקינה. כעת, אפשר לבצע צביעה וירטואלית של תאי הזרע במהלך הפריה חוץ גופית ולאבחן את התאים כאילו הם נצבעו כימית אמיתית.

 

* מחקר זה זכה לאחרונה בגרנט של האיחוד האירופי Horizon2020 ERC Proof of Concept

*לינק לקבוצת המחקר של פרופ' נתן שקד

*לינק למאמר במגזין PNAS

כיצד ניתן לזהות חוסר שיווי משקל של מערכות שונות?

מחקר

13.08.2019
כיצד ניתן לזהות חוסר שיווי משקל של מערכות מורכבות?

ד"ר גילי ביסקר יחד עם חוקרים מאוניברסיטת מישיגן ואוניברסיטת קומפלוטנסה פרסמו את מחקרם ב Nature Communications המסביר כיצד ניתן לכמת את שבירת הסימטריה להיפוך-בזמן ללא זרמים

  • nanotechnologies
  • optical nanosensors
  • nanotechnologies
  • optical nanosensors

ד"ר גילי ביסקר מהמחלקה להנדסה ביו רפואית ומנהלת המעבדה לאופטיקה, ננו-טכנולוגיה, וביופיזיקההצטרפה לפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב אחרי 6 שנים באוניברסיטה היוקרתית ואחת הטובות בעולם - MIT שם עבדה במעבדה ניסיונית במחלקה להנדסה כימית ופתחה ננו-גלאים אופטיים המבוססים על ננו-צינוריות מפחמן וגילתה ננו-גלאים לחלבונים פיברינוגן ואינסולין. לאחר מכן עסקה במחקר תיאורטי במחלקה לפיזיקה ב- MIT שם עבדה על תהליכי הרכבה עצמית מחוץ לשיווי משקל, ובהסקת מסקנות לגבי מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל מתוך מידע חלקי.

 

פיתוח שיטות לאבחון וטיפול חדשות

"המעבדה בפן הניסיוני, מתמקדת בפיתוח כלים ננו-טכנולוגיים שיאפשרו לעקוב אחרי תהליכים מולקולרים, בשאיפה להבין את הדינמיקה של אותם תהליכים. כלים אלו מבוססים על ננו-חלקיקים הפולטים פלורסנציה בתחום האינפרא אדום, ויכולים לגלות שינויים בסביבה הקרובה שלהם או ספיחה של מולקולות על פני השטח שלהם. בעזרת מעקב אחרי התכונות האופטיות של הננו-חלקיקים הללו במערכות ביולוגיות אפשר ללמוד עליהן ולקבל מידע חדש על תהליכים מיקרוסקופיים שאחראיים על ההתנהגות המקרוסקופית שלהן. כך מסבירה ד"ר ביסקר.

בין השאר, ניתן להשתמש באותם ננו-חלקיקים כסנסורים למולקולות ביולוגיות עבור אפליקציות ביורפואיות על מנת לפתח שיטות אבחון וטיפול חדשות. למשל, במעבדה מפתחת ד"ר ביסקר ננו-סנסורים לחלבונים וביו-סמנים של מחלות כגון סרטן וסכרת, לצורך גילוי מוקדם, ניטור התקדמות המחלה, ובדיקה של יעילות טיפול.

 

שבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן

המעבדה אף מתמקדת בפן התיאורטי בו ד"ר ביסקר מפתחת כלים אנליטיים ונומריים לזיהוי של חוסר שיווי-משקל תרמודינאמי על מנת להבין תהליכים מולקולרים שאחראים לקיומם של חיים. למשל, תא חייב להשקיע אנרגיה על מנת להעביר מטען מקצה אחד של התא לקצהו השני, או על מנת לשנות את מבנה השלד שלו לטובת תנועה במרחב. אלו הן דוגמאות לתהליכים מחוץ לשיווי משקל החיוניים לתפקוד תקין של התא.

 

כל המערכות החיות נמצאות רחוק משיווי משקל, שמתבטא גם בשבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן. כאשר יש במערכת תנועה בכיוון מועדף, או זרם הנראה לעין, קל לזהות שהמערכת אינה בשיווי משקל. לעומת זאת, בהעדר זרם זיהוי הכוחות הפנימיים או החיצוניים שדוחפים את המערכת מחוץ לשיווי-משקל נהיה מאתגר. במקרה זה, ד״ר ביסקר ומשתפי פעולה מאוניברסיטת קומפלוטנסה של מדריד ומאוניברסיטת מישיגן בארה״ב, הדגימו כיצד ניתן לכמת את שבירת הסימטריה להיפוך-בזמן ללא זרמים.

 

המחקר, שהתפרסם לאחרונה בעיתון  Nature Communications, מראה אין ניתן להשתמש בשיערוך המבוסס על פילוג ההסתברות של זמני המתנה כדי לזהות חוסר שיווי משקל. בעזרת השוואת ההתפלגויות של תזמון התהליכים הנצפים במערכת לבין ההתפלגויות של תזמון התהליכים ההפוכים בזמן, ניתן לכמת את אותה שבירת סימטריה ובכך לתת חסם תחתון לכמה רחוקה המערכת משיווי משקל. מדד זה יכול לעזור להבנה בסיסית של מערכות חיות, וללמד אותנו על יעילות של תהליכים מולקולרים, או על המחיר התרמודינמי ההכרחי לדיוק שלהם. ההבנה הזו יכולה גם לעזור לפיתוח מערכות סינטטיות השואבות השראה ממערכות ביולוגיות.

חלקיק נע בקו חד מימדי, עם הסתברות שווה לקפוץ למעלה או למטה. בממוצע, אין זרם במערכת, אך מתוך פרקי הזמן בהם החלקיק מבלה במצבים השונים, לפני קפיצה למעלה לעומת לפני קפיצה למטה, ניתן להסיק שבירת סימטריה להיפוך בזמן

חלקיק נע בקו חד מימדי, עם הסתברות שווה לקפוץ למעלה או למטה. בממוצע, אין זרם במערכת, אך מתוך פרקי הזמן בהם החלקיק מבלה במצבים השונים, לפני קפיצה למעלה לעומת לפני קפיצה למטה, ניתן להסיק שבירת סימטריה להיפוך בזמן.

 

לינק למאמר 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive