"ניתוחי מוח מותאמים אישית זה לא בעתיד, זה כבר קורה", ריאיון עם ד"ר יערה ארז

דמיינו עולם שבו ניתוחי מוח מתבצעים תוך שימוש בשיטות דימות מתקדמות שמאפשרות למנתחים ולמנתחות לזהות לא רק מבנים אנטומיים במוח, אלא גם למפות בזמן אמת תפקודים שונים במוח של כל מטופל ומטופלת. בעולם כזה, ניתוחי המוח הופכים למותאמים אישית ומאפשרים למטופלים לבחור ולקבל טיפול שיהיה מותאם אישית לצורכיהם ולרצונותיהם.

עבור ד"ר יערה ארז, העולם הזה הוא לא חיזיון אוטופי עתידני, אלא ההווה. כחלק מעבודתה המחקרית בתחום תפקודי המוח באוניברסיטת קיימברידג' במשך כמעט עשור, היא הובילה פרויקט מחקר רב-תחומי פורץ דרך במסגרת מלגה יוקרתית שקיבלה מ"החברה המלכותית" (Royal Society), אחד מגופי המימון המובילים בבריטניה. מחקר זה הינו חלק מהתחום המבטיח של פיתוח טכנולוגיות לצורך ניתוחי מוח מותאמים אישית.

זה מכבר חזרה ד"ר ארז לישראל ולפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן, שם היא מכהנת כמרצה בכירה וכראשת המעבדה לעיבוד עצבי ורשתות מוחיות העוסקת בחקר המוח באמצעים מתקדמים. ד"ר ארז פרסמה מחקרים ומאמרים רבים שסייעו לחשוף היבטים בלתי ידועים של תפקודי המוח, ובשנים הקרובות מקווה לענות על כמה מהשאלות הבוערות ביותר בתחום חקר המוח, תוך שהיא ממשיכה להוביל פיתוחים שונים בתחום ניתוחי המוח המותאמים אישית.

מעבדתה של ד"ר ארז מעסיקה צוות רב-תחומי של חוקרים, המשלבים דיסציפלינות מתחום מדעי המוח, פיזיקה, מדעי המחשב, הנדסה וקוגניציה לחקר היבטים שונים של הפעילות המוחית – בבריאות ובחולי.

תפסנו את ד"ר ארז לשיחה צפופה על מחקריה, על הדרך האישית שעברה, על השאלות המדעיות הגדולות (וגם על כמה שאלות אנושיות "קטנות"), ועל תחזיותיה לעתיד הרפואה המותאמת אישית.

יערה, מה הופך את המוח האנושי לאיבר כל כך מופלא ומסובך, אולי יותר מכל איבר אחר בגוף?

"במוח שלנו יש אזורים שונים, גם מבחינה מבנית וגם מבחינת התפקודים שאליהם הם קשורים. האזורים האלה יוצרים רשתות – אזורים שעובדים יחד, והם מתקשרים ביניהם. פעם חשבנו שכל אזור עושה משהו בנפרד, אך היום אנחנו יודעים שלא – ואנחנו חוקרים את האופן שבו רשתות אלה מאורגנות. אנחנו מנסים להבין איך המוח עובד, גם אצל אנשים בריאים, וגם אצל אנשים חולים, באוכלוסיות קליניות שונות. אנחנו מתמקדים במיוחד בניסיון להבין את הארגון המוחי הזה ברמת האדם האינדיבידואל, וכאן גם יש קשר לרפואה מותאמת אישית. במשך הרבה שנים המחקר עסק בהבנה של איך המוח עובד אצל אנשים בממוצע, למשל לקבל ״מפה״ של פעילות מוחית ממוצעת עבור תפקוד מסוים. אבל כמו שיש הבדל בין אנשים במראה, למשל הגובה שלנו ומאפיינים נוספים, כך גם יש הבדלים בין אנשים במוח שלהם".

מבנה המוח לא זהה אצל כל בני האדם?

"הארגון הכללי והמבנים דומים עבור כולם, אבל יש שונות בין אנשים גם ברמה המבנית וגם ברמה התפקודית, ולכן חשוב מאוד להבין איך המוח מאורגן אצל כל אדם. זה קריטי במיוחד עבור טיפולים רפואיים המותאמים אישית למטופלים. במוח יש המון מערכות שקשורות לתפקודים שונים – ראייה, למידה, זיכרון, מוטוריקה, ואנחנו מתמקדים במערכות מוחיות שקשורות לקשב ולתפקידים ניהוליים. תפקודים ניהוליים כוללים מגוון של תהליכים קוגניטיביים כגון קשב, פתרון בעיות, הסקת מסקנות, תכנון קדימה וכדומה. אלו תפקודים שהם חיוניים עבורנו לתפקוד היומיומי".

ניתוחי מוח מותאמים אישית

בדרך כלל כשמדברים על רפואה מותאמת אישית מדברים על התאמת תרופות או על אבחון, אבל הזווית שלכם היא של ניתוחי מוח מותאמים אישית. מה זה בעצם?

"אנחנו עובדים עם חולים שיש להם גידולים במוח וכאן יש תמיד איזושהי דילמה. מצד אחד חשוב להסיר חלק גדול ככל האפשר מהגידול, ומצד שני נרצה שלאדם תהיה איכות חיים טובה ושיוכל לחזור לתפקוד כמה שיותר מלא ונורמלי, לחזור לעבודה ולנהל את חייו בצורה הטובה ביותר האפשרית. בשנים האחרונות התחילו לבצע ניתוחים מסוימים בערות מלאה, שבמהלכם המטופלים עוברים פרוצדורה של מיפוי תפקודי. תוך כדי הניתוח, בזמן שהמטופל ער, מבקשים ממנו לעשות מטלות קוגניטיביות שונות ומשתמשים בגרייה חשמלית מקומית כדי לזהות אזורים שהם קריטיים לתפקוד. למשל, מבקשים מהמטופל לדבר, ואם גרייה חשמלית של אזור מסוים גורמת להפסקה זמנית בדיבור, המשמעות היא שהסרה ניתוחית של אזור זה עלולה לפגוע בתפקוד באופן פרמננטי ולכן אולי עדיף להימנע מהסרה של האזור. למעשה, הגרייה החשמלית מאפשרת לזהות אזורים חיוניים לתפקודים מסוימים וכך למנוע פגיעה בתפקוד כתוצאה מהניתוח. על סמך המיפוי התפקודי המנתחים והמנתחות מקבלים החלטה תוך כדי הניתוח אילו אזורים להסיר ואילו לא. בחלק מהמקרים, גם אם מבחינה אונקולוגית אולי היה עדיף להסיר חלק מסוים, הם יעשו איזון בין הצרכים האונקולוגיים והצרכים התפקודיים".

מהו האתגר שאתם מנסים לענות עליו?

"בשיטה הזאת של הגרייה משתמשים הרבה והיא כיום ה-gold standard. יחד עם זאת, יש לה גם חסרונות, והיא לא תמיד מדויקת, יש הרבה מקום לשיפור. כדי לשפר את התהליך של המיפוי התפקודי אנחנו מפתחים כלים שיסייעו לקבלת החלטות של מנתחים תוך שימוש בשיטות דימות שונות – גם לתכנון שמתבצע לפני הניתוח, וגם בזמן הניתוח. הרעיון הוא למדוד סיגנלים מוחיים, ״להקשיב״ לפעילות המוחית בזמן שהמטופלים מבצעים מטלה. למשל, אנחנו רוצים לספק למנתחים ולמנתחות מפה של פעילות של האזורים במוח של כל מטופל, כך שהם יוכלו לדייק את השימוש בגרייה החשמלית. אנחנו מנסים לתת אינדיקציות הרבה יותר מדויקות ממה שיש כיום, אשר מותאמות לתפקוד המוחי של כל מטופל, ולא ל'מפה תפקודית' כללית ממוצעת".

זאת אומרת שהכלים האלה ממש משמשים עיניים עבור המנתחים והמנתחות?

"ממש כך. בהרבה מקרים מה שהמנתח רואה בעיניים אלו הם רק מבנים אנטומיים. מה שהוא לא רואה זה את הפעילות והתפקוד של האזורים השונים. אנחנו מספקים את השכבה של התפקוד כחלק מהכרה הולכת וגוברת בחשיבות איכות החיים של המטופלים וביכולת של כלי הדימות השונים לספק מידע על הפעילות המוחית והתפקודים השונים. התחום הזה עדיין בהתהוות ויש המון כלים שאפשר וצריך לפתח כדי להפוך את התהליך ליותר מדויק וישים מבחינה קלינית".

מהו הערך שזה נותן?

"זה חשוב גם למחקר הבסיסי, אבל ודאי שלמטופלים אלו פיתוחים שהם קריטיים, כי בסופו של דבר יושב מולי מטופל ואני רוצה להציע את הטיפול המיטבי לאותו אדם ספציפי. לכן, חשוב שיהיו לנו כלים מתאימים ושנוכל להבין איך המוח של כל אדם מאורגן ופועל, בפרט בהקשר של מחלות מוחיות".

מעבר לניתוחי מוח להסרת גידולים, האם המחקר שלכם צפוי להשפיע גם על תחומים אחרים?

"הגישה הזאת של מיפוי תפקודי בזמן הניתוח מתבצעת גם כחלק מהטיפול עבור מחלות אחרות, למשל באפילפסיה, במחלות של כלי דם במוח, בכל מקום שזה מתאפשר מבחינת הפרופיל של המטופל ושיש איזשהו חשש לפגיעה תפקודית שרוצים להימנע ממנה. הרחבה ושיפור של סל הכלים העומד לרשות המנתחים גם יביאו לשימוש נרחב יותר עבור מחלות נוספות".

שילוב של שיטות דימות מרובות

אחד המאפיינים הייחודיים למעבדתה של ד"ר ארז הוא השילוב בין מספר שיטות דימות, המאפשר לחוקרים לזהות לא רק את מבנה המוח של המטופל, אלא גם לזהות את האזורים האחראיים לפעילות המוח כפי שהם באים לידי ביטוי אצל כל מטופל באופן שונה.

מדוע יש צורך בשילוב מספר שיטות של דימות?

"באופן קלאסי", אומרת ד"ר ארז, "מחקרים שונים התמקדו בשיטת מדידה אחת של המוח, ובניסיון להבין תופעות דרך שיטת מדידה מסוימת. יש המון שיטות למדוד את המבנה והתפקוד של המוח, ולכל שיטה יש יתרונות וחסרונות. אנחנו משלבים נתונים משיטות דימות שונות, כל אחת מודדת משהו קצת שונה, וגם נותנת מידע ברזולוציה שונה בזמן ובמרחב. מהשילוב הזה אנו רוצים ליצור פרופיל כמה שיותר מדויק".

אתם מבצעים את כל הבדיקות בבת אחת או מפנים את המטופל לסדרה של בדיקות?

"אנחנו עושים סדרת בדיקות לכל אדם, כך שיש לנו מכל אדם הרבה מאוד מידע – Big data. אנחנו משלבים סדרת בדיקות וגם מספר מדידות לאורך זמן – לפני הניתוח ואחריו, ככה שאנחנו יכולים ללמוד גם על השינוי והפלסטיסיות – הגמישות המוחית – של ארגון של רשתות מוחיות לאורך הזמן. הרעיון הוא ששילוב בין שיטות הדימות השונות יביא לרמת דיוק הרבה יותר גבוהה של הבנת הארגון של המערכות האלה ברמת האדם האינדיבידואל".

ריבוי שיטות הדימות והבדיקות מוביל לשפע עצום של נתונים ומידע, מרמת האדם האינדיבידואל ועד למאגרי מידע מצטברים של עשרות, מאות ואלפי אנשים... יערה, איך מתמודדים עם כמויות כאלה גדולות של מידע?

"כדי לנתח את כמויות המידע העצומות האלה אנחנו משתמשים בכלים של למידת מכונה ובינה מלאכותית (AI), בשיטות חישוביות מתקדמות ובאלגוריתמים מתקדמים, הכלים האלו עוזרים לנו לזהות תבניות של פעילות מוחית שאנחנו לא יכולים לזהות בדרכים אחרות. אנחנו משתמשים בשיטות אלו גם במחקרים אחרים. למשל, במחקר אחר שנעשה בשיתוף פעולה עם בית החולים רמב"ם ובהובלת רוני רמון-גונן מבית הספר למנהל עסקים בבר-אילן אנחנו עובדים עם חולים שעברו פגיעת מוח, למשל בתאונה, ובודקים אם אפשר לנבא על סמך סריקות מוחיות מי מהחולים יפתחו כאבי ראש כרוניים ומי לא. גם במחקר הזה אנחנו משתמשים בכלים של בינה מלאכותית".

מהמחקר לקליניקה

כשמדברים על ההשפעה או האימפקט של המחקרים המדעיים, נראה שלפעמים ישנו פער בין התגליות המדעיות פורצות הדרך שמתבצעות באקדמיה ובין היישום שלהן בפועל בעולם הקליניקה והטיפול. מה לדעתך אפשר לעשות כדי לגשר על הפער הזה?

"מעבר למחקר הבסיסי שאנחנו עושים, שלדעתי הוא חיוני על מנת להבין את המנגנונים העומדים בבסיס של המחלות השונות, השאיפה שלנו היא גם להביא את השיטות שאנחנו מפתחים לחדרי הניתוח ולקליניקה. אנחנו עובדים בשיתוף פעולה עם קלינאים, אנו מקשיבים לבעיות הקליניות שמטרידות אותם, שבעיניהם הן הכי חשובות, ומציעים את הכלים המחקריים שלנו כדי לפתח פתרונות לבעיות אלו. באמת יש פער – הרבה פעמים אלו קהילות נפרדות, ולכן חשוב לנו לעבוד יחד. השאיפה שלנו היא להביא את הפיתוחים שלנו לשימוש בקליניקה, גם אם זה בצעדים קטנים והדרגתיים. למשל, צעד ראשון יכול להיות הטמעה של פיתוחים שלנו בתוך מערכות רפואיות שכבר קיימות בבתי החולים".

ראינו סרטון של ה-BBC שהתפרסם על העבודה שלך בקיימברידג' ובו נאמר שאתם מקווים שבתוך חמש עד עשר שנים תוכלו לתכנן ניתוחי מוח לא רק על בסיס ההבדלים בפרופיל המוחי, אלא גם בהתאם למקצוע של הבן אדם, כלומר מי שצריך תפקודים פיזיים ברמה גבוהה ומי שצריך תפקודים קוגניטיביים ינותחו אחרת. איפה ההערכה הזאת עומדת כיום? האם היא עדיין בתוקף?

"הרעיון הוא להרחיב את ארסנל הבדיקות התפקודיות לתפקודים קוגניטיביים שונים, כך שאפשר יהיה להתאים את הטיפול לאנשים לפי סגנון החיים שלהם ומה שהם יבחרו. למשל, אדם אחד יגיד 'אם אני לא אוכל להזיז את היד זה אסון מבחינתי, גם אם אהיה קצת פחות טוב עכשיו בפתרון בעיות', ואדם אחר יגיד 'אם תהיה לי פגיעה קלה ביד אני יכול לחיות עם זה, אבל במסגרת התפקיד שאני מבצע הכי חשוב לי זה לשמר יכולת קשב טובה'. זה ההקשר של המקצוע וסגנון החיים עבור הכלים שאנחנו מפתחים. אנחנו רוצים שיהיו בדיקות וכלים מדויקים ככל האפשר. זה תהליך הדרגתי, וברמה מסוימת הוא כבר קורה במרכזים רפואיים שונים בעולם. מטופלים נשאלים לגבי התפקודים שחשובים להם, ומציעים להם את האפשרויות הקיימות בהתאם למצבם הקליני. בשנים האחרונות התקדמנו מאוד מבחינת הממצאים המחקריים, אבל היכולת לתרגם את זה לקליניקה היא עדיין מוגבלת ודרושה עוד עבודה רבה".

ספרי לנו קצת על הדרך האישית שעברת. מה הוביל אותך להתעניין דווקא בצומת הזה של ביו-הנדסה, קוגניציה ורפואה מותאמת אישית?

"נחשפתי לתחום של מדעי המוח בתיכון במסגרת שיעורי העשרה, וכבר אז זה ריתק אותי. כשהתחלתי את הלימודים עדיין לא היה תואר ראשון בתחום של מדעי המוח בארץ אלא רק לימודים מתקדמים. מאוד אהבתי את הצד התכנותי והיותר ריאלי ומאוד עניינה אותי פסיכולוגיה מהיבטים קוגניטיביים, לכן הלכתי ללמוד שילוב של שני המקצועות האלה מתוך מחשבה ששניהם במידה מסוימת קשורים למוח. בדיעבד זה נתן לי רקע מעולה לעסוק בהמשך בתחום של מדעי המוח הקוגניטיביים ובאותו צומת של מחקר שהוא גם טכנולוגי והנדסי, גם קליני וגם קוגניטיבי, שזה הצומת שהמחקר במעבדה שלי נמצא בו. אחרי התואר הראשון עבדתי בתעשייה כמפתחת תוכנה ואז עברתי לעסוק במחקר בתחום של חקר המוח. מההתחלה היה לי חשוב מאוד השילוב בין המחקר הבסיסי, הטכנולוגי והקליני. הדוקטורט שלי עסק בהבנה של המנגנונים העומדים בבסיס טיפול עם גריית עומק מוחית למחלת הפרקינסון, כדי שאפשר יהיה לשפר את האופן שבו מתבצעת הגרייה".

מאוניברסיטת תל אביב לבר-אילן דרך קיימברידג'

"אחרי הדוקטורט הרחבתי את המחקר שלי לעולמות הקוגניטיביים. אחרי פרויקט פוסט-דוקטורט קצר בארץ באוניברסיטת תל אביב, עברתי לאוניברסיטת קיימברידג' באנגליה. בהתחלה התמקדתי יותר במחקר בסיסי של מערכות שקשורות לקשב ולתפקודים ניהוליים, ותוך כדי חיפשתי ערוצים לקשר את המחקר גם לצד הקליני והטכנולוגי. בהמשך קיבלתי בקיימברידג׳ מלגה של "החברה המלכותית" (Royal Society), אחד מגופי המימון המוערכים ביותר בבריטניה. זוהי מלגה של חמש שנים שמיועדת לפיתוח כיווני מחקר עצמאיים ולהקמה של צוות מחקר. כחלק מזה יזמתי שיתוף פעולה עם המחלקה לנוירו-כירורגיה של בית החולים האוניברסיטאי, שבהמשך התרחב גם למחלקות אחרות באוניברסיטה. הקמתי שם את המחקר של ניטור התפקודים המוחיים בזמן ניתוח באמצעות הקלטה של פעילות מוחית, שלא היה קיים".

ספרי לנו קצת על הפרויקט הזה.

"במסגרת המענק הקמתי צוות מחקר רב-תחומי כדי לפתח את התחום שמשלב בין שיטות דימות שונות, מחקר בסיסי ומחקר קליני בחולים עם גידולים מוחיים, ובפרט במהלך הניתוח עצמו. זהו פרויקט שהתחיל בקטן והלך והתרחב עם עוד חוקרים שהצטרפו אליו, והפך להצלחה די גדולה מבחינת הממצאים המחקריים. כחלק מהפרויקט פרסמנו כבר עשרה מאמרים, והרשימה רק הולכת ומתארכת".

אז הפרויקט הזה עדיין נמשך?

"כן, שיתוף הפעולה עדיין נמשך. יש לנו מאגר נתונים עשיר מאוד שאנחנו עובדים עליו ועל היבטים שונים שלו. נוסף על כך אני מפתחת את הפרויקט המחקרי הזה גם לכיוונים אחרים. התוכנית היא להמשיך את הכיוון המחקרי הזה פה בארץ בשיתוף עם בית החולים איכילוב, ואנחנו ממש עכשיו מתחילים את העבודה על המחקר הזה".

מה החזיר אותך מקיימברידג' לבר-אילן?

"באיזשהו שלב תחושת השייכות הכריעה, וקיבלנו החלטה כמשפחה שאנחנו רוצים לחזור לארץ. מה שאהבתי בבר-אילן אלו שני דברים: בפקולטה להנדסה יש תוכנית של נוירו-הנדסה שמשלבת גם היבטים הנדסיים וגם את חקר המוח, וזה התחבר לי טוב מאוד לסוג המחקר שאני רוצה לעשות. האספקט השני הוא שמאוד התרשמתי מהאנשים, מההון האנושי, ומסביבת עבודה שהיא נעימה ומהנה".

האם העובדה שעבדת בתעשיית ההיי-טק ולא רק בעולם האקדמיה משפיעה על המחקר שלך ועל איך שאת ניגשת למחקר?

"אני חושבת שזה נתן לי פרספקטיבה חשובה, וגם היום אני לגמרי בתוך המחקר מצד אחד, ומהצד השני אני חושבת שכדי להוציא משהו מהמחקר ולהביא אותו לעולם האמיתי, התהליך עובר גם דרך התעשייה. אני לא כל כך רואה את זה כעולמות נפרדים ויותר כעולמות שצריכים לעבוד יחד כדי שנוכל להתקדם קדימה".

עם הפנים קדימה – על מעבדת המחקר החדשה

בשנה וחצי האחרונות התמקדה ד"ר ארז בבניית מעבדתה המשוכללת – צוות מומחים מתחומים שונים החוקרים את מוח האדם, ומתחקים לא רק אחר מבנהו, אלא גם אחר פעילות הרשתות המוחיות. הם עושים זאת תוך שימוש באמצעים מתקדמים – ריבוי שיטות דימות, למידת מכונה ושיטות חישוביות לעיבוד ולניתוח הממצאים.

האם ההיבט הרב-תחומי הוא חלק מהגישה שלך או שזה כורח המציאות?

"אני חושבת שזה העתיד. הרב-תחומיות הייתה התכווננות כי אני חושבת שזאת הדרך הנכונה. גם הרקע שלי הוא רב-תחומי – מדעי המחשב ופסיכולוגיה בתואר הראשון, בדוקטורט עבדתי בתחום של נוירוביולוגיה, ואחר כך הרחבתי את המחקר לתחום יותר קוגניטיבי, שזה מעבר עצום, ממש שמיים וארץ. זאת לא התקדמות ישירה אלא מסלול מפותל, ולמדתי והתפתחתי מכל חלק שלו. תוך כדי רכשתי כלים שונים, והמעבדה משלבת בין השאר את כל הכלים שצברתי לאורך הדרך".

ואיך הגישה הזאת באה לידי ביטוי במעבדה שלך?

"עכשיו אני בונה את הקבוצה שלי בצורה רב-תחומית מתוך חזון, עם אנשים מתחומי ידע שונים – הנדסה, מדעי המוח, פיזיקה, מדעי המחשב, קוגניציה – כדי שכל אחד ואחת יביאו איתם את הזווית שלהם, את הפרספקטיבה שלהם".

איפה את רואה את תחום ניתוחי המוח המותאמים אישית בעוד חמש שנים?

"ארסנל הבדיקות הולך וגדל, יש כל הזמן התקדמות. יש היום מערכות, גם מסחריות, שיכולות להאיץ את התהליך, ונראה את ההתקדמות הזאת בשנים הקרובות. יש היום מעט מעבדות בעולם שעוסקות בתחום הזה, ואני צופה שיצטרפו לתחום הזה קבוצות מחקר נוספות. זה תהליך הדרגתי שילך וישתפר, לא משהו שיסתיים אחרי חמש שנים. זה קצת שונה מטיפול תרופת; זה לא שפתאום תהיה תרופה שתצא לשוק. יהיה שינוי הדרגתי שבו עוד ועוד אספקטים ייכנסו לתוך הקליניקה ולשימוש הרפואי".