מדענים מפתחים את "פנטום המוח" הראשון בעולם המודפס בתלת מימד

למודל החדש יש פוטנציאל להאיץ את המחקר במחלות ניווניות.

בפרויקט משותף בין MedUni Vienna ו-TU Wien, פותח "פנטום המוח" הראשון בעולם המודפס בתלת-ממד, המעוצב על פי מבנה סיבי המוח וניתן לצלם אותו באמצעות גרסה מיוחדת של הדמיית תהודה מגנטית (dMRI).

כפי שצוות מדעי בראשות MedUni Vienna ו-TU Wien הראה כעת במחקר, ניתן להשתמש במודלים מוחיים אלה כדי לקדם מחקר על מחלות ניווניות עצביות כגון אלצהיימר, פרקינסון וטרשת נפוצה. עבודת המחקר פורסמה בכתב העת טכנולוגיות חומרים מתקדמות.

הדמיית תהודה מגנטית (MRI) היא טכניקת הדמיה אבחנתית בשימוש נרחב המשמשת בעיקר לבדיקת המוח. ניתן להשתמש ב-MRI לבדיקת מבנה ותפקוד המוח ללא שימוש בקרינה מייננת. בגרסה מיוחדת של MRI, MRI משוקלל דיפוזיה (dMRI), ניתן לקבוע גם את כיוון סיבי העצב במוח. עם זאת, קשה מאוד לקבוע נכון את הכיוון של סיבי עצב בנקודות החצייה של צרורות סיבי עצב, שכן סיבי עצב עם כיוונים שונים חופפים שם.

על מנת לשפר עוד יותר את התהליך ואת שיטות הניתוח וההערכה של הבדיקה, צוות בינלאומי בשיתוף האוניברסיטה הרפואית של וינה ו-TU Wien פיתח מה שנקרא "פנטום מוח", אשר הופק בתהליך הדפסה תלת מימד ברזולוציה גבוהה.

קובייה קטנטנה עם מיקרו ערוצים

חוקרים מהאוניברסיטה הרפואית של וינה כמומחי MRI ו-TU Wien כמומחי הדפסת תלת מימד עבדו בשיתוף פעולה הדוק עם עמיתים מאוניברסיטת ציריך ומהמרכז הרפואי האוניברסיטאי המבורג-אפנדורף. עוד בשנת 2017, שניפוטון מדפסת פילמור פותחה ב-TU Wien המאפשרת הדפסה משודרגת.

במסגרת זו בוצעה עבודה גם על פנטומי מוח כמקרה שימוש יחד עם האוניברסיטה הרפואית של וינה ואוניברסיטת ציריך. הפטנט שנוצר מהווה את הבסיס לפנטום המוח שפותח כעת ומפוקח על ידי צוות התמיכה במחקר והעברה של TU Wien.

מבחינה ויזואלית, לפנטום הזה אין הרבה קשר למוח אמיתי. הוא הרבה יותר קטן ויש לו צורה של קובייה. בתוכו יש מיקרו-תעלות עדינות במיוחד מלאות מים בגודל של עצבי גולגולת בודדים. הקטרים ​​של תעלות אלה דקים פי חמישה משערת אדם. על מנת לחקות את הרשת העדינה של תאי עצב במוח, צוות המחקר בראשות המחברים הראשונים מיכאל וולץ (המרכז לפיזיקה רפואית והנדסה ביו-רפואית, MedUni Vienna) ופרנציסקה חלופה-גנטנר (קבוצת המחקר להדפסה תלת מימדית ובייצור, TU Wien) ) השתמשו בשיטת הדפסה תלת מימדית יוצאת דופן למדי: פילמור דו-פוטונים.

שיטה זו ברזולוציה גבוהה משמשת בעיקר להדפסת מבני מיקרו בטווח הננומטר והמיקרומטר – לא להדפסת מבנים תלת מימדיים בטווח מילימטר מעוקב. על מנת ליצור פנטומים בגודל מתאים ל-dMRI, החוקרים ב-TU Wien עמלו על הגדלה של תהליך ההדפסה התלת מימדית ואפשרות הדפסה של אובייקטים גדולים יותר עם פרטים ברזולוציה גבוהה. הדפסת תלת מימד בקנה מידה גבוה מספקת לחוקרים מודלים טובים מאוד, המאפשרים להקצות מבנים עצביים שונים, כאשר הם צופים ב-dMRI.

מיכאל וולץ משווה גישה זו לשיפור יכולות האבחון של dMRI עם האופן שבו מצלמת טלפון סלולרי פועלת: "אנו רואים את ההתקדמות הגדולה ביותר בצילום עם מצלמות טלפון נייד לאו דווקא בעדשות חדשות וטובות יותר, אלא בתוכנה שמשפרת את התמונות שצולמו . המצב דומה ב-dMRI: באמצעות פנטום המוח החדש שפותח, נוכל להתאים את תוכנת הניתוח בצורה הרבה יותר מדויקת וכך לשפר את איכות הנתונים הנמדדים ולשחזר את הארכיטקטורה העצבית של המוח בצורה מדויקת יותר".

פנטום המוח מאמן תוכנת ניתוח

השעתוק האותנטי של מבני עצב אופייניים במוח חשוב אפוא ל"אימון" תוכנת ניתוח ה-dMRI. השימוש בהדפסת תלת מימד מאפשר ליצור עיצובים מגוונים ומורכבים הניתנים לשינוי והתאמה אישית. פנטומי המוח מתארים אפוא אזורים במוח המייצרים אותות מורכבים במיוחד ולכן קשה לנתח אותם, כמו מסלולי עצב מצטלבים.

על מנת לכייל את תוכנת האנליזה, נבדק פנטום המוח לפיכך באמצעות dMRI, והנתונים הנמדדים מנותחים כמו במוח אמיתי. הודות להדפסת תלת מימד, עיצוב הפנטומים ידוע במדויק וניתן לבדוק את תוצאות הניתוח. MedUni Vienna ו-TU Wien הצליחו להראות שזה עובד כחלק מעבודת המחקר המשותפת. הפנטומים שפותחו יכולים לשמש לשיפור ה-dMRI, מה שיכול להועיל לתכנון הניתוחים והמחקר על מחלות ניווניות כמו אלצהיימר, פרקינסון וטרשת נפוצה.

למרות הוכחת הרעיון, הצוות עדיין מתמודד עם אתגרים. האתגר הגדול ביותר כרגע הוא הגדלת השיטה: “הרזולוציה הגבוהה של פילמור שני פוטונים מאפשרת להדפיס פרטים בטווח המיקרו וננומטר ולכן מתאימה מאוד להדמיית עצבי גולגולת. יחד עם זאת, נדרש זמן רב בהתאם להדפיס קובייה בגודל של כמה סנטימטרים מעוקבים בטכניקה זו", מסבירה חלופה-גנטנר. "לכן אנו שואפים לא רק לפתח עיצובים מורכבים עוד יותר, אלא גם לייעל עוד יותר את תהליך ההדפסה עצמו."