פרויקטי גמר - הנדסת חשמל - המעבדה לביו-הנדסה תשפ"ב | הפקולטה להנדסה ע"ש אלכסנדר קופקין

101 Developing a system for rapid and highly sensitive detection of viruses

פיתוח מערכת לזיהוי וירוסים במהירות גבוהה וברגישות

שם המנחה: עמוס דניאלי
אחראי/ת אקדמי/ת: דר' עמוס דניאלי

הרקע לפרויקט:

זיהוי מהיר, רגיש וספציפי של זיהומים ויראליים הוא אתגר ידוע בעולם הדיאגנוסטיקה. פלאבי-וירוסים (flaviviruses), כגון וירוס הזיקה, הנילוס מערבי, והדנגה גורמים לתחלואה אנדמית ואפידמית ברחבי העולם. בדיקות המזהות את החלבונים או הרנ"א של הוירוס בדם נחשבות מאוד רגישות וספציפיות. עם זאת, הפלאבי-וירוסים נעלמים ממחזור הדם מספר ימים לאחר הופעת הסימפטומים, ולכן בדיקות אלו יעילות רק לזמן מוגבל. לעומת זאת, בדיקות סרולוגיות המזהות את מרכיבי מערכת החיסון כנגד הוירוס, אינן מוגבלות לזמן בו הוירוס נוכח בדם, אך נחשבות לבעלות רגישות וספציפיות נמוכה. בדיקות אלו גם בעיתיות עקב תגובה בלתי ספציפית לוירוסי המשפחה השונים (קרוס ראקטיביות). על מנת להפחית את הקרוס ראקטיביות נעשה שימוש בחלבון הספציפי non-structural 1 (NS1) כאנטיגן למשיכת נוגדנים כנגד הוירוס (במבחנים סרגולוגיים), וכן כחלבון מטרה (במבחני אנטיגן). על אף השיפור הניכר בהפחתת הקרוס ראקטיביות, שימוש בחלבון NS1 גרם לירידה ברגישות הבדיקות. על מנת לשפר את הטיפול במטופלים יש צורך בפיתוח כלים רגישים יותר. לאחרונה פיתחנו מערכת דיאגנוסטיקה מאוד רגישה הנקראת Magnetic Modulation Biosensing (MMB). השתמשנו במערכת זו על מנת לזהות נוגדני IgM ו-IgG כנגד וירוס הזיקה בסט קטן של דגימות קליניות מחולים ישראלים שחזרו מאזורים אנדמיים לזיקה. התוצאות שהתקבלו הראו רמת רגישות של 88% למבחני IgM ו-97% רגישות למבחני IgG, 100% ספציפיות לשני המבחנים, ו- 0-4% קרוס ראקטיביות לוירוס הנילוס המערבי ולדנגה, תוצאות אלו טובות בהרבה מהיכולת של הבדיקות הסרולוגיות הקיימות בשוק.

מטרת הפרויקט:

אנו נפתח בדיקות כמותיות לזיהוי חלבוני NS1 ונוגדנים כנגד הפלאבי-וירוסים השונים. הזיהוי יבוצע תוך שימוש בפלטפורמת ה-MMB, ואנליזה של ספריות גדולות של נוגדנים ודוגמאות קליניות.

תכולת הפרויקט:

לימוד הפעלת המערכת האופטית לזיהוי וירוסים, ביצוע ניסויים לבדיקת הקיט לזיהוי הנילוס המערבי או הדנגה.

קורסי קדם:

עקרונות וטכנולוגיות אופטיות לדיאגנוסטיקה במבחנה

מקורות:

www.amosdaniellilab.com

102 Probabilistic models for mutation processes in antibodies

ניתוח מוטציות גנטיות בנוגדנים באמצעות מודלים הסתברותיים

שם המנחה: אילת פרס
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' גור יערי

הרקע לפרויקט:

מדע הנתונים (data science) הינו תחום המתפתח במהירות בזכות טכנולוגיות מתקדמות המסוגלות לייצר כמויות עצומות של נתונים. ניתוח של הנתונים על מנת לענות על שאלות מחקר שונות דורש ידע והבנה בתחומים רבים כגון מתמטיקה, סטטיסטיקה,מדעי המחשב ועוד.

בעשור האחרון חלה התקדמות משמעותית בתחום ריצוף הגנום וטכנולוגיות חדישות אפשרו ריצוף של כל החומר הגנטי ביעילות גבוהה ובעלות נמוכה וכך שינו את האתגר של איסוף המידע לאתגר של ניתוח נתונים רבים בזמן קצר.

המחקר במעבדה מתמקד בניתוח חישובי של רצפים גנטיים של רצפטורים על גבי תאי הדם הלבנים של מערכת החיסון הנרכשת, תאי B וT, האחראיים על הקישור הספציפי בין התאים ומחוללי המחלות (חיידקים, וירוסים וכו'). לרצפטורים אלו חשיבות רבה בהגנה על הגוף מפני מחוללי המחלות. בנוסף, הם מאפשרים זיכרון חיסוני שמתבטא בתגובה מהירה ויעילה בחשיפה חוזרת לאותו מחולל מחלה.

היכולת לאפיין באופן חישובי את מיליוני הרצפים (רפרטואר) הנמצאים על גבי תאים אלו בגוף האדם הינו בעל חשיבות קלינית עצומה. דוגמאות לפרוייקטים שבוצעו במעבדת המחקר שלנו כוללות זיהוי מוקדם של דחיית שתל אצל מושתל כליה, מציאת תבנית (מוטיב) ברצפים של תאי B ברפרטואר של חולים שהבריאו באופן ספונטני מוירוס צהבת C שיעזור בפיתוח חיסון, בניית מודלים של למידת מכונה על מנת לזהות נטייה גנטית לפתח צליאק ולחזות את מידת חומרת המחלה בקורונה, ועוד.

מטרת הפרויקט:

פרוייקט זה יעסוק בניתוח ואפיון כמויות גדולות של רצפי רצפטורים מתאי B (הידועים גם כנוגדנים), ויכלול בניית מודלים הסתברותיים מבוססי למידת מכונה לאוסף המוטציות שעוברים הרצפים בתגובה לפתוגן, וזאת כדי ללמוד על מנגנון הביולוגי שעוברים התאים בתגובה החיסונית.

תכולת הפרויקט:

כתיבת קוד.
ניתוח נתונים.
כתיבת מודלים הסתברותיים ובדיקת תיקופם.

קורסי קדם:

Big data analysis

מקורות:

Georgiou, G., Ippolito, G., Beausang, J. et al. The promise and challenge of high-throughput sequencing of the antibody repertoire. Nat Biotechnol 32, 158–168 (2014). https://doi.org/10.1038/nbt.2782
Gur Yaari, Mohamed Uduman, Steven H. Kleinstein, Quantifying selection in high-throughput Immunoglobulin sequencing data sets, Nucleic Acids Research, Volume 40, Issue 17, 1 September 2012, Page e134, https://doi.org/10.1093/nar/gks457
Yaari G, Vander Heiden JA, Uduman M, Gadala-Maria D, Gupta N, Stern JN, O'Connor KC, Hafler DA, Laserson U, Vigneault F, Kleinstein SH. Models of somatic hypermutation targeting and substitution based on synonymous mutations from high-throughput immunoglobulin sequencing data. Front Immunol. 2013 Nov 15;4:358. doi: 10.3389/fimmu.2013.00358. PMID: 24298272; PMCID: PMC3828525.
Vander Heiden JA, Yaari G, Uduman M, Stern JN, O'Connor KC, Hafler DA, Vigneault F, Kleinstein SH. pRESTO: a toolkit for processing high-throughput sequencing raw reads of lymphocyte receptor repertoires. Bioinformatics. 2014 Jul 1;30(13):1930-2. doi: 10.1093/bioinformatics/btu138. Epub 2014 Mar 10. PMID: 24618469; PMCID: PMC4071206.

103 Developing a modular magnetic device for manipulating 3D neural networks

פיתוח מערך מגנטים מודולרי לשליטה ברשתות נוירונים תלת-ממדיות

שם המנחה: רעות פלן
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

ליכולת לשלוט בארגון המרחבי של רשתות עצבים יש השלכות חשובות ביותר בתחום ההנדסה הביו-רפואית. בניית רשתות עצביות תלת-ממדיות חשובה להבנה טובה יותר של המוח, לפיתוחם של ממשקים עצביים, לשיקום פגיעות עצביות ולטיפול במחלות נוירודגנרטיביות.

לאחרונה פותחה גישה חדשנית להכוונה מקומית של תאים באמצעות הטענתם בחלקיקים מגנטיים. הפיכתם של התאים ליחידות מגנטיות מאפשרת שליטה מרחוק באמצעות הפעלת גרדיאנטים של שדות מגנטים חיצוניים.

מטרת הפרויקט:

מטרת פרויקט זה היא לבנות רשת עצבית תלת-ממדית באמצעות הכוונת התאים לאזורי מטרה רצויים בתוך ג'ל קולגן רב-שכבתי. לשם כך, נתכנן ונייצר מערך מגנטים ייחודי המבוסס על מודלים של שדות מגנטיים אשר יוביל ליצירת מוקדים מגנטיים. בעזרת השדה המגנטי נמקם בתוך הג'ל תאים דמויי עצבים טעונים בננו-חלקיקים מגנטיים, נעודד את התמיינותם וכך ניצור רשתות עצביות באופן מבוקר.

תכולת הפרויקט:

לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים רלבנטיים
תכנון ויצור מערכי מגנטיים
סימולציה ומידול של שדות מגנטיים
טיפול בתאים על גבי המערכים השונים ומעקב אחר התארגנות התאים כולל ניתוח כמותי של המבנה של התאים מתמונות שנרכשו במיקרוסקופ.

קורסי קדם:

שדות

דרישות נוספות:

ידע בתוכנות COMSOL או OOMMF – יתרון

מקורות:

Marcus, M., Karni, M., Baranes, K. et al. Iron oxide nanoparticles for neuronal cell applications: uptake study and magnetic manipulations. J Nanobiotechnol 14, 37 (2016). https://doi.org/10.1186/s12951-016-0190-0
Marcus M, Smith A, Maswadeh A, et al. Magnetic Targeting of Growth Factors Using Iron Oxide Nanoparticles. Nanomaterials (Basel). 2018;8(9):707. Published 2018 Sep 10. doi:10.3390/nano8090707

104 Quorum Sensing Biochip for Microbial Diagnosis and Therapy

פיתוח צ'יפ ביולוגי לאבחון וטיפול באוכלוסיות חיידקים בגוף האדם

שם המנחה: עדי ענאקי
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

תחום הביו-סנסורים נמצא בחזית המחקר בשנים האחרונות.

פרויקט זה הינו חלק מפרויקט משותף למסלולי הביו-הנדסה והננו-אלקטרוניקה שבמרכזו פיתוח ביו-סנסור כפתרון טכנולוגי חדשני לטיפול בזיהומים חיידקיים.
כ-10 מיליון אנשים ברחבי העולם מתים מידי שנה כתוצאה מעמידות חיידקים לאנטיביוטיקה. עמידות זו יוצרת מצב בו תרופות שהיו בעבר יעילות למחלות חיידקיות נעשות חסרות תועלת.בשל כך נדרש פתרון טכנולוגי חדשני לטיפול בזיהומים.

בטכנולוגיה המוצעת בפרויקט נעשה שימוש ביכולת של החיידקים לתקשר בינם לבין עצמם באמצעות מולקולות תקשורת האופייניות רק להם (Quorum Sensing), ובכך לקרוא לחיידקים להצטבר במקום מסוים ולחולל מחלה.

מטרת השבב היא לחוש את מולקולות התקשורת המציינות הצטברות חיידקים, ולשבש תקשורת זו כך שהחיידקים לא יתקבצו במקום ובכך למנוע זיהום.

מטרת הפרויקט:

בניית מדגים לביו-סנסור שיוכל לשדר ולהעביר נתונים בזמן אמת על פעילות חשמלית המתרחשת בקרבת סנסור הנמצא בתוך הגוף ובכך להתריע על הצטברות חיידקים באזור, להפריע לתקשורת ביניהם ולמנוע מחלה.

תכולת הפרויקט:

סקר ספרות על מערכות ה Quorum-SensingוהQuorum-Quenching בחיידקים.
ביצוע מדידות במערכת תאים אלקטרוכימיים לזיהוי אותות תקשורת בין חיידקים Quorum-Sensing, ותרגומם לסיגנל חשמלי.
אימות ואפיון הסיגנל החשמלי המתקבל.
אנליזה של נתוני המדידות והגדרת סיגנל קריטי בו דרוש שחרור פעילות אנזימטית לטיפול באוכלוסיית החיידקים.

קורסי קדם:

מעגלים אלקטרוניים ספרתיים
ביו-סנסורים

מקורות:

Miller, C., & Gilmore, J. (2020). Detection of Quorum-Sensing Molecules for Pathogenic Molecules Using Cell-Based and Cell-Free Biosensors. Antibiotics (Basel, Switzerland), 9(5), 259. https://doi.org/10.3390/antibiotics9050259

105 Bio-sensor development for detection and diagnosis of bacterial infection in the urinary tract

פיתוח ביו-סנסור לזיהוי ואבחון זיהום חיידקי בדרכי השתן

שם המנחה: חן צרור-אזנקוט
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

תחום הביו-סנסורים נמצא בחזית המחקר בשנים האחרונות.
פרויקט זה הינו חלק מפרויקט משותף למסלולי הביו-הנדסה והננו-אלקטרוניקה שבמרכזו פיתוח ביו-סנסור כפתרון טכנולוגי חדשני לטיפול בזיהומים חיידקיים.

זיהום בדרכי השתן מתפתח כאשר חלק מדרכי השתן מזדהמים, בדרך כלל עקב זיהום חיידקי. נכון להיום, אבחון של דלקת זו מתבצע ע"י תרבית שתן בה ניתן לזהות את כמות החיידקים המעורבים ואת סוגיהם. תוצאה ניתנת ביום למחרת, ורק אז ניתן להחליט על סוג הטיפול המתאים.
על מנת לקצר את זמן זיהוי החיידק ולאפשר קבלת אנטיביוטיקה ברגע לקיחת דגימת השתן, אנו מציעים פתרון המשתמש ביכולת של החיידקים לתקשר בינם לבין עצמם באמצעות מולקולות תקשורת האופייניות רק להם (Quorum Sensing). מטרת הסנסור היא לחוש את מולקולות התקשורת בין החיידקים ולאבחן באיזה חיידק מדובר בעת מתן דגימת השתן, ללא צורך בביצוע תרבית.

מטרת הפרויקט:

בניית מדגים לביו-סנסור שיוכל לזהות נוכחות של חיידקים שונים בשתן ולאפיין את סוג הזיהום בזמן אמת, ללא צורך בתרבית שתן.

תכולת הפרויקט:

סקר ספרות על מערכות ה Quorum-Sensing והQuorum-Quenching בחיידקים.
ביצוע מדידות במערכת תאים אלקטרוכימיים לזיהוי אותות תקשורת בין חיידקים Quorum-Sensing, ותרגומם לסיגנל חשמלי.
אימות ואפיון הסיגנל החשמלי המתקבל.
בניית מדגים למערכת.

קורסי קדם:

מעגלים אלקטרוניים ספרתיים
ביו-סנסורים

מקורות:

Miller, C., & Gilmore, J. (2020). Detection of Quorum-Sensing Molecules for Pathogenic Molecules Using Cell-Based and Cell-Free Biosensors. Antibiotics (Basel, Switzerland), 9(5), 259. https://doi.org/10.3390/antibiotics9050259
Mach, K. E., Wong, P. K., & Liao, J. C. (2011). Biosensor diagnosis of urinary tract infections: a path to better treatment?. Trends in pharmacological sciences, 32(6), 330–336. https://doi.org/10.1016/j.tips.2011.03.001

106 Automation of super resolution sequencing

אוטומאציה של ריצוף בסופר רזולוציה

שם המנחה: אלכס גליק
אחראי/ת אקדמי/ת: דר' שחר אלון

הרקע לפרויקט:

במעבדה שלנו אנחנו חוקרים רקמות בעזרת טכנולוגיה חדשנית שמאפשרת לזהות מיליוני מולקולות במיקום המקורי שלהם ברקמה. כיום אנחנו מבצעים מחקרים העוסקים במחלת סרטן, אלצהיימר, עיוורון רשתית, אוטיזם ועוד. הטכנולוגיה מבוססת על זיהוי מיקום המולקולות בסופר רזולוציה, ע"י שימוש בכימיה ומיקרוסקופיה מתקדמת. כך ניתן ליצור מפות מולוקולריות מדויקות של אזורים שונים ברקמה. זיהוי המולקולות כולל סבבים של החלפת נוזלים ידנית וצילום במיקרוסקופ. הפעולה הידנית גורמת לתזוזה של הרקמה, ולקושי לחזור לצלם את אותם אזורים רלוונטיים ברקמה. בנוסף זה גורם לזמני תפעול ארוכים ובזבוז משאבי כוח אדם. מטרת הפרויקט היא לתכנן ולבנות מערכת זרימה (מיקרופלואידית) שתאפשר אוטומציה של שלבי הפעולה תחת המיקרוסקופ.

מטרת הפרויקט:

אוטומציה על ידי מערכת זרימה מיקרופלואידית תאפשר זיהוי מדויק של מיקומי המולקולות, קיצור זמני ניסוי משמעותיים ופעולה שוטפת ללא התערבות חיצונית.

תכולת הפרויקט:

הכרת מערכת המיקרוסקופיה ותוכנות האנליזה לצורך הבנה בסיסית של הפרויקט. חיבור הרכיבים השונים של המערכת יחדיו ויצירת קוד אשר יאפשר לכלל הרכיבים לעבוד יחדיו ובזמנים קבועים.
בניית המערכת דורשת תכנון הנדסי מדויק כך שתכיל תא-זרימה (Flow Cell) אשר מותקן על במת המיקרוסקופ. בתוך תא הזרימה מונחות רקמות הניסויי ואליהן יוזרמו אנזימים וראגנטים שונים בזמנים מדוייקים ובטמפרטורות שונות. המערכת כולה צריכה להיות בשליטה על ידי מחשב המיקרוסקופ ולכן יהיה צורך בעבודה עם חומרה ותוכנה.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

מומלץ: הקורס מבוא לביולוגיה למהנדסים
ידע בתכנות חובה, מומלץ ידע במטלב

מקורות:

https://www.alonlab.org/technology

107 Spectral neural dynamics analysis of electrophysiological information

ניתוח דינמיקה עצבית ספקטרלית של נתונים אלקטרופיזיולוגיים

שם המנחה: ד״ר יערה ארז
אחראי/ת אקדמי/ת: ד״ר יערה ארז

הרקע לפרויקט:

Precision neuroimaging is a developing approach that focuses on understanding brain activity and functional networks at the individual person level. This approach is facilitated by data-intensive information from different imaging modalities and has important implications for developing imaging-based personalized medicine practices.

The research in the lab focuses on integrating different neuroimaging techniques in order to understand how brain structure and function relate to one another in individuals. One challenge is developing multi-dimensional analysis tools for the data from the different techniques so they can be later combined.

Electrocorticography (ECoG) is a promising technique in which brain activity is recorded directly from the surface of the human brain. This technique is emerging as a useful clinical tool for mapping brain function as it provides unique data with both high temporal and spatial resolution that could not have been achieved before.

We have previously showed that ECoG data in patients with brain tumors collected during awake brain surgery contains useful information related to functional networks. Yet, there is a lack in computational tools for the analysis of this type of data and its integration with information from other neuroimaging modalities.

מטרת הפרויקט:

The aim of this project is to develop analysis tools for spectral dynamics of ECoG data.
The project will include constructing statistical and machine-learning based models to better understand the functional role of ECoG signals.

תכולת הפרויקט:

We will develop dynamics analysis including statistical modelling and visualization of the results. This will include: writing code, reading literature, data analysis, model validation by simulations.

קורסי קדם:

- Software / programming

דרישות נוספות:

עיבוד אותות
נוירופיזיולוגיה של מערכות

מקורות:

Erez Y., Assem M., Coelho P., Romero-Garcia R., Owen M., McDonald A., Woodberry E., Morris R.C., Price S.J., Suckling J., Duncan J., Hart M.G. & Santarius T. (2021). Intraoperative mapping of executive function using electrocorticography for patients with low grade gliomas. Acta Neurochirurgica 163(5), 1299-1309. https://doi.org/10.1007/s00701-020-04646-6
Crone N.E., Sinai A. & Korzeniewska A. (2006). High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research 159, 275–295. https://doi.org/10.1016/S0079-6123(06)59019-3

108 Developing magnetic devices for manipulating neural network formation in 2D and 3D platforms

פיתוח מערכים מגנטים לשליטה ביצירת רשתות נוירונים דו-ממדיות ותלת-ממדיות

שם המנחה: רעות פלן
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

ליכולת לשלוט בארגון המרחבי של רשתות עצבים יש השלכות חשובות ביותר בתחום ההנדסה הביו-רפואית. בניית רשתות עצביות חשובה להבנה טובה יותר של המוח, לפיתוחם של ממשקים עצביים, לשיקום פגיעות עצביות ולטיפול במחלות נוירודגנרטיביות.

לאחרונה פותחה גישה חדשנית להכוונה מקומית של תאים באמצעות הטענתם בחלקיקים מגנטיים. הפיכתם של התאים ליחידות מגנטיות מאפשרת שליטה מרחוק באמצעות הפעלת גרדיאנטים של שדות מגנטים חיצוניים.

מטרת הפרויקט:

מטרת פרויקט זה היא להראות היתכנות לבנות רשתות עצביות דו-ממדיות ותלת-ממדיות באמצעות הכוונת חלקיקים ותאים לאזורי מטרה רצויים. לשם כך, נתכנן מערכי מגנטים המבוססים על מודלים של שדות מגנטיים אשר יובילו ליצירת מוקדים מגנטיים. בהמשך, נייצר את המערכים ע"י הדפסת תלת ממד וע"י שיטת פוטוליטוגרפיה בדומה לתעשיית הצ'יפים. בעזרת השדות המגנטיים נוכל למקם חלקיקים מגנטיים ותאי עצב טעונים בננו-חלקיקים מגנטיים, לעודד את התמיינותם, מה שיוביל לייצור מבוקר של רשתות עצביות.

תכולת הפרויקט:

לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים דומים
תכנון ויצור מערכי מגנטיים בשיטת פוטוליטוגרפיה והדפסת תלת ממד
סימולציה ומידול של שדות מגנטיים
ארגון חלקיקים מגנטיים במרחב כולל ניתוח כמותי של התפלגות החלקיקים
טיפול בתאים על גבי המערכים השונים ומעקב אחר התארגנות התאים

קורסי קדם:

קורס שדות

דרישות נוספות:

ידע בתוכנות COMSOL או OOMMF – יתרון

מקורות:

Marcus, M., Karni, M., Baranes, K. et al. Iron oxide nanoparticles for neuronal cell applications: uptake study and magnetic manipulations. J Nanobiotechnol 14, 37 (2016). https://doi.org/10.1186/s12951-016-0190-0 
Marcus M, Smith A, Maswadeh A, et al. Magnetic Targeting of Growth Factors Using Iron Oxide Nanoparticles. Nanomaterials (Basel). 2018;8(9):707. Published 2018 Sep 10. doi:10.3390/nano8090707

109 The application of gold nanoparticles in anti-cancer treatments

שימוש בננו חלקיקים מזהב לפיתוח טיפולים נוגדי סרטן

שם המנחה: אלי ורון
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

שיטות רבות פותחו ונלמדו למציאת דרך חדשנית לטיפול בסרטן. אחת משיטות אלו לטיפול בגידולים סרטניים היא תרפיה פוטודינאמית. הצורך בפיתוח של ננו חלקיקים כמערכות הובלה של תרופות לגידולים סרטניים וביניהם תרופות שמשמשות לטיפול הפוטודינאמי הולך ומתגבר. נשתמש בקומפלקס שפותח במעבדה של ננו חלקיקי זהב שמחוברים לתרופה פוטודינאמית בתאי סרטן ונבחן את התאים לאחר שילוב של טיפולים נוגדי סרטן על ידי הקרנות בלייזר.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבחון את הטיפול הפוטודינאמי והטיפול התרמי לאחר שימוש בקומפלקס של ננו חלקיקי זהב שקשורים לתרופה. לשם כך, נגדל תאים סרטניים, נבחן את התאים לאחר קליטת החלקיקים בתאים, נבצע טיפול אנטי סרטני בתאים ונאבחן את התאים לאחר הטיפול (כימות התאים, מורפולוגיה).

תכולת הפרויקט:

לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים רלבנטיים.
טיפול בתאים בעזרת קומפלקס של ננו חלקיקי זהב שקשורים לתרופה.
מעקב אחר התאים שכולל כימות של התאים לאחר הטיפול האנטי סרטני בעזרת עיבוד תמונה, בדיקת מורפולוגיה ופרמטרים נוספים.

קורסי קדם:

ביולוגיה למהנדסים

דרישות נוספות:

ידע מוקדם בImage J ו-Matlab יתרון

מקורות:

Cai, Weibo, Ting Gao, Hao Hong, and Jiangtao Sun. "Applications of gold nanoparticles in cancer nanotechnology." Nanotechnology, science and applications 1 (2008): 17.

110 Deep learning technologies for studying tumor samples

שימוש בלמידה עמוקה כדי לנתח דוגמאות סרטניות

שם המנחה: אוהד וולק ומיכל דנינו
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר גונן זינגר וד"ר שחר אלון

הרקע לפרויקט:

אחת הדרכים להתאים טיפולים לחולים בסרטן היא על ידי מיפוי מולקולרי רחב היקף בסופר רזולוציה של רקמות. עם זאת, ניתוח המידע מהווה אתגר מרכזי -- איך אפשר לייצג ולנתח מידע מתמונות של מיליוני מולקולות כדי להחליט מה מצב התאים ברקמה הסרטנית? הפרויקט מנסה להתמודד עם האתגר הזה על ידי שיטות מעולם הלמידה העמוקה.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט נשתמש במידע שהתקבל מטכנולוגיה שהיא בחזית המידע של חקר הסרטן - מיפוי מדויק של מולקולות ברקמה סרטנית.

כדי לנתח את המידע נשתמש בטכנולוגיה שגם היא בחזית המדע - אלגוריתמים אדפטיביים לומדים משובלים ברשתות נוירונים ללמידה עמוקה: DNN with adaptive cost sensitive learning – AdaCSL

תכולת הפרויקט:

ניתוח מקדים של הנתונים: זיהוי התאים ברקמה ואיחוד נתונים ממקורות שונים ליצירת מאגר אחד
הכרת של אלגוריתמי למידה עמוקה כולל שילוב אלגוריתם AdaCSL
כתיבת קוד בפייטון שכולל מימוש של קוד AdaCSL ובנוסף גם שכבת נוירונים שיכולה להסביר את קבלת ההחלטות
ניתוח הנתונים וזיהוי דפוסים של מצבי התאים במחלה
סיכום התוצאות
כתיבת מאמר מהווה סיום בהצטיינות של הפרויקט

קורסי קדם:

כריית מידע וייצוג מידע – 83676
למידה עמוקה – 83882 (ניתן לבצע במקביל לפרויקט)
מדעי נתונים ביולוגים (ניתן לבצע במקביל לפרויקט, במקרים מסוימים יתכן פטור מקורס זה)

דרישות נוספות:

רקע בלמידת מכונה הוא חובה
רקע בביולוגיה הוא יתרון

מקורות:

Elkan, C. The foundations of cost-sensitive learning. Proceedings of the Seventeenth International Conference on Artificial Intelligence: 4-10 August 2001; Seattle, 1, 05, 2001.
S. Wang, W. Liu, J. Wu, L. Cao, Q. Meng and P. J. Kennedy, "Training deep neural networks on imbalanced data sets," 2016 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), 2016, pp. 4368-4374, doi: 10.1109/IJCNN.2016.7727770.
https://www.alonlab.org/technology

111 Bio-image Analysis

ניתוח ועיבוד של תמונות ביולוגיות

שם המנחה: Aryeh Weiss or Yair Lauber
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אריה וייס

הרקע לפרויקט:

Optical microscopy is one of the most widely used tools for studying biological systems. The outputs of the microscopy systems are image sets, which are often multidimensional (XYZ, time, wavelength, lifetime, etc). The field of bio-image analysis developed to deal with the images that optical microscopy (and other imaging modalities) generate.

מטרת הפרויקט:

Students who work on this project will need to learn how a particular biological experiment is carried out (and why), how the imaging is done, and how to process the images. The topic of the research may be agriculture, medicine, or forensics. The project itself will involve identification of features of interest and quantification of the results. A successful project is expected to produce results that can be presented at a conference, at least as a poster.

תכולת הפרויקט:

The student(s) will need to learn how to work in the Fiji/ImageJ environment, and use the ImageJ API to implement the processing workflow in Python. Other libraries such as scikit, openCV, and tensorflow might be used if appropriate.

The student will need to understand the biology behind the project, and will need to do a literature search to understand the current state of the art.

קורסי קדם:

Any 3rd year student who is motivated to self-learning is suitable.

Relevant courses include the programming, data structures, and signals and systems courses that are taken in the second year.

דרישות נוספות:

Introduction to bio-image analysis; https://www.ibiology.org/techniques/bioimage-analysis/
Introduction to Image Processing - one hour that will provide almost all of the vocabulary needed: https://imagej.net/Conference_2015_Program.html#Aryeh_Weiss1.2C2_-_An_introduction_to_digital_image_processing

מקורות:

Providing a useful solution that gets published and/or presented at a conference.

112 Transcriptomic analysis of variability in single cell RNAseq datasets

ניתוח שונות של רצפי רנ"א מתאים בודדים

שם המנחה: תומר קליסקי
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' תומר קליסקי

הרקע לפרויקט:

בשנים האחרונות פותחו טכנולוגיות למדידת רצפי רנ"א מעשרות אלפי תאים.
אולם, ישנו חוסר בכלים חישוביים להפקת מידע משמעותי מהנתונים הרבים שנאספו.
בפרוייקט זה נטמיע ונפתח כלים להפקת מידע הקשור ל poly-A tailing מנתוני רנ"א של תאים בודדים שהופקו מרקמות ומגידולי כליה.

מטרת הפרויקט:

ניתוח שונות רצפים בין תאים, בדגש על poly-A tailing, פרסום הממצאים כמאמר בספרות האקדמית

תכולת הפרויקט:

Obtain RNA sequences from published datasets
Use available tools to characterize variability in poly-A tailing and its relation to variability on gene expression
Correlate forms of poly-A tailing to patient clinical data in order to find new clinical biomarkers
Possibly, develop in-house tools to improve the state of the art

קורסי קדם:

Computational biology
Genetics and molecular biology

דרישות נוספות:

R
Matlab
linux

מקורות:

https://support.10xgenomics.com/single-cell-gene-expression/software/pipelines/latest/what-is-cell-ranger

113 Development of a biochip for the detection of pathogens and small molecules in air-borne samples

פיתוח ביו-צ'יפ לאיתור פתוגנים ומולקולות קטנות בדגימות אוויר

שם המנחה: עדי ענאקי
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

תחום הביו-סנסורים נמצא בחזית המחקר בשנים האחרונות.

בחברה המודרנית כיום קיים צורך בחיישנים מהירים ויעילים לזיהוי של מגוון מטרות. למשל: פתגונים כדוגמת חיידקים ווירוסים ומולקולות קטנות, כגון חומרי נפץ וסמים.
מגיפת הקורונה הוכיחה את חשיבותם של חיישנים אלו המהווים כלי מרכזי לזיהוי מוקדם ובזמן-אמת.

ביו-סנסורים הקיימים כיום מסתמכים על שיטות חישה מסורתיות. שיטות אלו לרוב יקרות, איטיות וכוללות ציוד כבד ומסורבל.

אנו מציעים לפתח פלטפורמת חישוב ביולוגית חדשנית, המבוססת על חיידקים מהונדסים גנטית אשר באופן ספציפי יזהו פתוגנים ומולקולות קטנות בדגימות אוויר. ביו-סנסורים אלה יהיו משולבים בשבב חשמלי ופעילותם תתורגם לאות חשמלי.

מטרת הפרויקט:

פיתוח שיטה לשילוב דגימות אוויר בשבב אלקטרוכימי לזיהוי יעיל ומהיר של מיקרואורגניזמים הנמצאים באוויר. בניית מערכת לדגימה של האוויר בזמנים נתונים ולהמרת דגימות האוויר לדגימות נוזליות.
דגימות אלו ישולבו בשבב אלקטרוכימי המכיל חיידק ביו-סנסור המהונדס גנטית לזיהוי ספציפי של מיקרואורגניזמי שונים.

תכולת הפרויקט:

סקר ספרות על מערכות דגימה מאוויר והמרת דגימות גז לדגימות נוזליות.
הרכבת מערכת דגימת אוויר ומערכת המרת גז לנוזל ושילובה במערכת אלקטרוכימית ואלקטרונית קיימת.
ביצוע מדידות במערכת תאים אלקטרוכימיים לזיהוי מיקרואורגניזמים שונים, ותרגומם לסיגנל חשמלי.
אימות ואפיון הסיגנל החשמלי המתקבל.
אנליזה של נתוני המדידות ופענוח הנתונים.

קורסי קדם:

מעגלים אלקטרוניים ספרתיים
ביו-סנסורים

מקורות:

Rachela Popovtzer, Tova Neufeld, Dvora Biran, Eliora Z. Ron, Judith Rishpon, and Yosi Shacham-Diamand Novel Integrated Electrochemical Nano-Biochip for Toxicity Detection in Water Nano Letters 2005 5 (6), 1023-1027 DOI: 10.1021/nl0503227
Chao Wang, Mei Liu, Zhifei Wang, Song Li, Yan Deng, Nongyue He, Point-of-care diagnostics for infectious diseases: From methods to devices, Nano Today, Volume 37, 2021
Heidt, B.; Siqueira, W.F.; Eersels, K.; Diliën, H.; van Grinsven, B.; Fujiwara, R.T.; Cleij, T.J. Point of Care Diagnostics in Resource-Limited Settings: A Review of the Present and Future of PoC in Its Most Needed Environment. Biosensors 2020, 10, 133. https://doi.org/10.3390/bios10100133

114 Quantitaive Phase Microscopy

מיקרוסקופיה פאזה כמותית

שם המנחה: Aryeh Weiss r
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אריה וייס

הרקע לפרויקט:

Biological specimens are usually thin and difficult to image without staining or specialized methods. However, it is possible to reconstruct high contrast phase images by acquiring 3 or more simple brightfield images at different focal planes. This is called quantitative phase imaging (QPI). It enables acquisition of high quality images using a simple brightfield microscope.

מטרת הפרויקט:

The goal of this project is to implement QPI on a brightfield microscope.

תכולת הפרויקט:

The student(s) will need to study the original papers to learn the theory of QPI. They will need to understand how microscopes create images, and implement the codes in MATLAB. They will also need to port the codes to the FIJI/ImageJ environment.

קורסי קדם:

Any 3rd year student who is motivated to self-learning is suitable.

Relevant courses include Introduction to Electro-Optics, the programming, data structures, and signals and systems courses that are taken in the second year.

דרישות נוספות:

MATLAB and Python programming experience, and knowing how to use an object oriented API, will be very helpful.

This project is very suitable for a student in the dual EE/physics program.

מקורות:

Open source code – we are interested in phase from defocus: http://www.laurawaller.com/opensource/
Paper for the cheek cell reconstruction: https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-22-9-10661&id=284196

115 Developing implantable device for monitoring neuronal activity by an optical method

פיתוח רכיב מושתל לניתור פעילות עיצבית על ידי סיגנל אופטית

שם המנחה: טל בן עוליאל
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

Interfaces for monitoring large populations of neurons are of great importance for a better understanding of the brain, and for the development of potential therapeutics in pathological conditions. Many efforts have been devoted to the development of platforms for exploring neuronal activity. The common approach is detection of the electrical signal of the cells. Multi-electrode arrays of 2D substrates embedded with electrodes were fabricated for extracellular recording or intracellular recordings.4 With recent advances in nanotechnology and materials, flexible electrodes for 3D implantation have been developed. However, sensors based on electrodes are needed to be wired, complicating their operation. Consequently, these devices enable electrical recording from a limited number of sites. In addition, intracellular recording is invasive, and may injure the cells. Calcium ions play a wide rule in the physiology and biochemistry of organisms, as a secondary messenger. In the nervous system, calcium ions control key functions in all types of neurons. Ca+2 waves promote release of neurotransmitters and enable neuronal communication. Hence, tracing Ca+2 by optical methods as calcium imaging is a complementary approach for neurons monitoring.

מטרת הפרויקט:

The purpose of the project is to develop an implemented opto-mechanic device for under-demand calcium imaging, based on silicon chip

תכולת הפרויקט:

Studying the principles of neuronal activity and neuronal detection including calcium imaging
Designing and fabricating silicon based chips as a source of calcium indicators
Calibrating and testing the devices with neuronal cells by varying microscopy methods and real time detection
Signal analysis of florescence data

קורסי קדם:

פזיולוגיה כמותית

דרישות נוספות:

ידע במטלב או תוכנה דומה יתרון

מקורות:

Imaging Calcium in Neurons Grienberger, Christine et al. Neuron, Volume 73, Issue 5, 862 - 885 https://www.cell.com/neuron/comments/S0896-6273(12)00172-9

116 Image processing of 3D tissue engineering scaffolds

עיבוד וניתוח תמונות של שתלים להנדסת רקמות

שם המנחה: חן הרוש
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

במסגרת מחקר במעבדה מפתחים הידרוג'לים מיושרים מגנטית כמצע גידול ושיקום של נוירונים. אנו מצלמים את ההידרוג'ל במיקרוסקופ קונפוקלי ומנתחים את התמונות באופן ידני. ניתוח התמונות כיום מבוצע באופן סובייקטיבי וידני. יש צורך באוטומציה לתהליך על מנת לייעל ולהשמיש אותו בקרב כל מי שירצה לבצע אנליזה דומה.

מטרת הפרויקט:

בבניית סקריפט שישמש לעיבוד התמונות ולניתוח התוצאות המתקבלות וניתוח שתלים בתנאים שונים. לפרויקט יש פוטנציאל לשמש לניתוח תמונות נוספות כדוגמת ניתוח כיווניות תאים באופן כללי ובפרט תאים בתוך ההידרוג'ל, מידת הסנכרון בין כיווניות התאים לכיווניות סיבי הג'ל ועוד כל זה תוך אילוץ של רכיב תלת מימדי.

תכולת הפרויקט:

אוטומציה של תהליך הכולל קליטת התמונות אל התוכנה, עיבוד וסגמנטציה של תוכן התמונה (בידוד חלקיקים מגנטיים והבחנה בינם לבין סיבי ההידרוג'ל) וניתוח כיווניות סיבי הג'ל בכדי לאמוד את מידת היישור המגנטי.

הפרויקט יכלול עבודה על סט נתונים רחב, ניתוח כל תמונה בנפרד ואז אנליזה על סט התמונות כמכלול המייצג הידרוג'ל. השוואה בין הידרוג'לים שעברו יישור מגנטי, לבין הידרוג'לים שלא עברו מניפולציה מגנטית.

קורסי קדם:

עיבוד אותות

דרישות נוספות:

ניסיון ב-FIJI- מומלץ אך לא חובה
ניסיון בתכנות

מקורות:

Remote Magnetic Orientation of 3D Collagen Hydrogels for Directed Neuronal Regeneration. Merav Antman-Passig and Orit Shefi Nano Letters 2016 16 (4), 2567-2573 DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00131

117 Smart assistive devices for people with disabilities

פתוח מערכות עזר חכמות לאנשים עם מוגבלויות

שם המנחה: ד"ר אברהם שלי
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

המוטיבציה להגשת הפרויקט נובעת מרצון משותף להציע פתרונות טכנולוגיים לאנשים עם מוגבלויות כדי להקל על בפעילותיהם בחיי היום. אנחנו מציעים לפתח תשתית פתרונות טכנולוגים מעשיים בהתנדבות ולשתף את הידע עם העמותת הציבורית "מילבת" ללא כוונת רווח. כך שבסופו של דבר הפתרונות יועברו כתרומה לאותם אנשים עם המוגבלויות.

מטרת הפרויקט:

בניית התשתית היא לפתח מערכות ייחודיות ואוטונומיות בטכנולוגיית מתקדמת מסוג IoT (Internet of Things) או "בית חכם" המאפשרת שליטה מרחוק על מגוון מוצרים אלקטרוניים\חשמליים. המערכות יתוכננו בהתאם ליכולת ההפעלה ולדרישות המשתמש (האדם עם המוגבלות) בעזרת חיישנים מתאימים.

תכולת הפרויקט:

פגישות עם צוות העמותה והאנשים עם מוגבלויות ("המטופלים") בבית החולים או בביתם במטרה להכיר ולהגדיר מצד אחד את צרכיהם הטכניים (למשל הפעלת של מכשיר מסוים בשלט רחוק) ומצד שני את יכולת הפעילות הגופנית שלהם.
בחירה של אמצעי הקלט המתאימים ביותר (החיישנים) לפעולה הגופנית של המטופל.
בחירת סוג התקשרות המתאימה (הפלט) להפעלת המכשיר שהמטופל חפץ לשולט בו. בחירת סוג הכרטיס החכם. האיור דלקמן מראה על עיקרון הפעולה של המערכת IoT
תכנות והטענת התוכנה בכרטיס בעזרת תוכנת מחשב בפקולטה להנדסה. התוכנה הנה ייחודית ומנתחת את האותות של החיישן ומפעילה בהתאם את הפקודות לשלוט במכשיר\ים באמצעות תקשורת אל חוטית.
עיצוב ובניית אריזת המערכת ועזרים נוספים באמצעות הדפסת 3D בפקולטה להנדסה ובשיתוף עם מהנדס\ת המוצר הרפואי של עמותת מילבת.
פגישת חוזרת עם צוות העמותה והמטופלים לצורך התאמה והדרכה ההפעלה של המערכת.
העברת הידע לצוות כך שתינתן יכולת להמשיך את התיאום או הבנייה של מערכות דומות באופן עצמאי.
שמרית הקשר עם עמותת מילבת לצורך תמיכה ויעוץ מקצועי.

קורסי קדם:

מבוא להנדסת חשמל
מעבדה להתקני מל"ם
Bio-chips + סנסורים

דרישות נוספות:

הכריות ב-פלטפורמה מסוג Arduino - פתויח ישומון Android

מקורות:

1. "אנשים עם מוגבלות בישראל 2017" http://www.justice.gov.il/Units/NetzivutShivyon/sitedocs/statistic-annual-report-2017.pdf
2. http://www.milbat.org.il/
3. http://www.azarim.org.il/Hebrew/ConsultingServices/Pages/item3.aspx
4. https://www.arduino.cc

118 Analysis of Laser therapy Cell Fate by Means of Modeling and Image Processing

ניתוח טיפול תאי בלייזר באמצעות מודלים מתמטיים ועיבוד תמונה

שם המנחה: אלי ורון
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

פוטותרפיה היא סוג של טיפול רפואי הכרוך בחשיפה לנורות פלורסנט או לייזרים לטיפול במצבים רפואיים מסוימים. ישנם סוגים שונים של פוטותרפיה והסוג, כמו גם הטכניקה בה משתמש הרופא שלך, יהיו תלויים במצב שיש לך המטופל.
המעבדה שלנו הנדסה חלקיק ננו-זהב המחובר לפוטוסנסיטייזר. החלקיק שלנו מיוחד מכיוון שניתן להפעיל אותו באופן כפול. דרך אחת היא באמצעות לייזר ירוק (532 ננומטר) שגורם לזהב להתחמם המוביל לנזק תרמי (תרפיה פוטותרמית). הדרך השנייה היא באמצעות לייזר אדום (650 ננומטר) שגורם לפוטוסנסיטייזר לייצר חמצן סינגלט (טיפול פוטודינמי).

אנו מסיקים כי תחת הקרנת לייזר של שילוב ירוק ואדום, תוצאה של רעילות אור כפולה, בהשוואה לטיפול בירוק בלבד או אדום בלבד, מה שמעיד על יעילות משופרת של השיטה הטיפולית המשולבת.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה נלמד וניישם טכניקות לניתוח תמונות לכימות אוטומטי של האבולוציה המרחבית-זמנית של תהליך המוות בתאים שנמדדת במיקרוסקופ פלואורסצנטי בזמן שעובר. תוכנת ניתוח התמונה תזהה ותפלח תאים שסומנו פלואורסצנטי. לאחר מכן, כל תא יהיה במעקב והתוכנה ימדוד את שינויים המורפולוגיים החושפים את תחילת המוות. תלמד כיצד לגדל תאים סרטניים ואיך למדוד ולהשתמש בלייזרים שונים לטובת טיפול אור.

תכולת הפרויקט:

לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים דומים
מדידת עוצמת לייזר ושימוש בו לצורך טיפול בתאים
טיפול בתאים והכנסת חלקיקי זהב
רכישת תמונות לאורך זמן, עיבוד התמונות לצורך הערכת מוות תאי, סימולציה של התהליך

קורסי קדם:

תכנות בסיסי
עיבוד אותות

דרישות נוספות:

ידע בתכנות
ידע בעיבוד תמונה – יתרון

מקורות:

Ziraldo, Riccardo et al. “Towards automatic image analysis and assessment of the multicellular apoptosis process.” IET image processing vol. 9,5 (2015): 424-433.

119 Characterizing neuronal activity of identified cells

אפיון פעילות חשמלית של תאי עצב מזוהים

שם המנחה: אלון ריכטר לוין
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

לעלוקה 21 גנגליונים המסודרים לאורכה המכילים תאי העצב שנמצאים מסודרים בצורה קבועה מגנגליון לגנגליון מה שמאפשר לחזור ולהגיע אל אותו תא עצב פעם אחר פעם. בעזרת יכולת זאת ניתן לשאול שאלות שנוגעות להבדלים בין תאים מזוהים לתאים מזוהים אחרים. לחקירה כזו חשיבות רבה כאשר שואפים לאפשר הכוונת צמיחה ויצירת קשרים של תאי עצב, למשל לפיתוחם של ממשקים עצביים, לשיקום פגיעות עצביות ולטיפול במחלות נוירודגנרטיביות.
ניתן לזהות תאי עצב בגנגיליון על פי מיקומם המרחבי אך גם על פי הפעילות החשמלית שלהם שהיא יחודית לכל תא. אולם חלק משמעותי מחקר התכונות הספציפיות של תאי עצב מסוגים שונים מתבצע על ידי הוצאת התאים מהגנגליון וגידולם בתרביות תאים. במעבר זה מאבדים את יכולת זיהוי התאים על פי מיקומם בגנגליון אך ניתן לאפיינם על ידי תבנית הפעילות החשמלית שלהם.
תבנית הפעילות החשמלית יכולה לשמש גם כמדד חשוב לבחינת תגובתיות התאים לחומרים שונים, ויותר מכך, לאפיון חומרים שונים על פי יכולתם להשפיע על פעילות תאי העצב.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה ננסה בשלב הראשון לאפיין את הפעילות היחודית של מספר תאים מזוהים על ידי הקלטות תוך תאיות מתאי עצב בגנגיליון ועיבוד הסיגנל המגיע מהתאים. חלק זה מחייב הן רישום מהתאים והן עיבוד מתקדם ואפיון של הסיגנל שנרשם. בעזרת מידע זה ננסה בשלב שני לזהות את אותם תאים בתרבית כאשר אנחנו מאבדים את יכולת הזיהוי על פי מיקומם המרחבי גם בהקלטה תוך תאית וגם בעזרת מערכת MEA(multi electrode array) .
בשלב שלישי, מאפייני רישום של תאים ספציפיים ישמשו לבחינת השפעה דיפרנציאלית של חומרים על פעילות התאים. פעילות התאים תירשם לפני ואחרי הוספת חומר פעיל, וניתוח הסיגנל לפני ואחרי יתורגם להגדרת השפעת החומרים על הפעילות.

תכולת הפרויקט:

לימוד תיאורטי וקריאה בספרות על מחקרים בתחום
עבודה עם מערכת אלקרופיזיולוגית - הקלטה תוך תאית מתאי עצב
עיבוד ואפיון הסיגנלים של התאים המזוהים השונים
עבודה עם מערך אלקטרודות במערכת MEA (multi electrode array)

קורסי קדם:

מבוא לפיסיולוגיה

דרישות נוספות:

ידע בתכנות
רקע בעיבוד אותות

מקורות:

Titlow, J., Majeed, Z. R., Nicholls, J. G. & Cooper, R. L. Intracellular recording, sensory field mapping, and culturing identified neurons in the leech, Hirudo medicinalis. J. Vis. Exp. (2013) doi:10.3791/50631.
Moshtagh-Khorasani, M., Miller, E. W. & Torre, V. The spontaneous electrical activity of neurons in leech ganglia. Physiol. Rep. 1, 1–16 (2013).

פרויקטים נוספים מומלצים

212 Using hardware tools to analyze systems and biological circuits

שימוש בכלי חומרה לניתוח מערכות ומעגלים ביולוגיים

שם המנחה: חן צרור-אזנקוט ונועה עדרי פריימן
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אלכס פיש, פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

חישוביות ומימוש שערים לוגיים על ידי שימוש ברכיבים ביולוגיים הינו תחום אשר צובר תאוצה בשנים האחרונות. בטכנולוגיה הקיימת כיום, אנו משתמשים ביכולות המופלאות של רצפי דנ"א על מנת שאלו יאפשרו מימוש של שערים לוגיים בטכנולוגיה המכונה DNA strand displacement. בפרויקט זה, נשתמש בכלים ומתודולוגיות מעולם המעלים האלקטרוניים כדי לשפר את תפקוד השערים הביולוגיים הללו.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרוייקט להשתמש בכלים מתחום תכנון, סימולציה ואנליזת חומרה לתכנון וניתוח מערכות ומעגלים ביולוגיים

תכולת הפרויקט:

סקר ספרות על המערכת או המעגל הביולוגי שייבחן.
העמקת הידע בכלים הקיימים לפיתוח חומרה
אפיון וניתוח המעגל הביולוגי בעזרת כלי החומרה

קורסי קדם:

מעבדה מתקדמת למעגלים ספרתיים
מעבדה למעגלים משולבים

דרישות נוספות:

83670 Biological Computation (במקביל לפרויקט)
רקע כללי בביולוגיה

מקורות:

Lakin, M. R., Youssef, S., Cardelli, L., & Phillips, A. (2012). Abstractions for DNA circuit design. Journal of the Royal Society, Interface, 9(68), 470–486. https://doi.org/10.1098/rsif.2011.0343

305 Novel medical imaging with structured X-rays

דימות רפואי חדשני באמצעות קרני רנטגן מובנות

שם המנחה: אליהו כהן
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר אליהו כהן

הרקע לפרויקט:

אנו חוקרים שיטות דימות חדשות כגון computational ghost imaging שמבוססות על מסכות אשר מעניקות מבנה מיוחד לקרני הרנטגן. בשיטה זו, אנו יכולים לשפר את הרזולוציה המרחבית וכאשר מוסיפים גם אלגוריתמים כגון למידה עמוקה, אנו יכולים גם להוריד את רמת הקרינה אליה נחשפים המטופלים.

מטרת הפרויקט:

יבוצע שימוש בכלים סימולטיביים שפיחתנו בקבוצה על מנת לבחור באופן מיטבי את סט המסכות כך שרמת הקרינה תהיה מינימלית.

תכולת הפרויקט:

לאחר היכרות קצרה עם הספרות ועם הפעילות הנוכחית שלנו, הסטודנט/ית בפרויקט ישתמשו באלגוריתמים שפיתחנו על מנת להתאים את תבנית ההארה האופטימלית בהתייחס למטרת הדימות והמאפיינים הפיזיים של המטופל. הניתוח יהיה נומרי/סימולטיבי ובתקווה גם יודגם במעבדה.

קורסי קדם:

קדם - מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרואופטיקה. עשויים לעזור אם יילקחו במקביל: אופטואלקטרוניקה התקנים ומערכות או סופר רזולוציה ומערכות דימות או דימות רפואי.

מקורות:

Y. Klein, A. Schori, I. P. Dolbnya, K. Sawhney, and S. Shwartz, "X-ray computational ghost imaging with single-pixel detector," Opt. Express 27, 3284-3293 (2019)

311 Remote biomedical sensing for vital bio signs based upon laser illumination

חישה ביו רפואית מבוססת תאורת לייזר לחישה משופרת של פרמטרי חיות בסיסיים

שם המנחה: זאב זלבסקי
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' זאב זלבסקי

הרקע לפרויקט:

מדובר על טכנולוגיית חישה חדשנית המבוססת על ניתוח שינויים זמניים-מרחביים של תבנית פיזור אור לייזר מרקמה ביולוגית נבחנת ועל בסיס זה חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק

מטרת הפרויקט:

ביצוע ניסויים, איסוף וניתוח נתונים והשוואתם למדידות רפרנס ביו רפואיות

תכולת הפרויקט:

לימוד שיטת החישה, תוכנון ניסוי, ביצוע ניסוי, איסוף וניתוח תוצאות

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

ידע נוסף יסופק ממאמרים אקדמיים

מקורות:

Z. Zalevsky, Y. Beiderman, I. Margalit, S. Gingold, M. Teicher, V. Mico and J. Garcia, "Simultaneous remote extraction of multiple speech sources and heart beats from secondary speckles pattern," Opt. Express 17, 21566-21580 (2009).

312 Remote biomedical sensing based upon RADAR sensing behind walls

חישה ביו רפואית מבוססת מכ"ם וגלי רדיו כדי לגלות פרמטרי חיות בסיסיים מאחורי קירות

שם המנחה: אוהד משולם
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' זאב זלבסקי

הרקע לפרויקט:

מדובר על טכנולוגיית חישה חדשנית המבוססת על ניתוח שינויים זמניים-מרחביים של תבנית פיזור של קרינה אלקטרו-מגנטיות מרקמה ביולוגית נבחנת ועל בסיס זה חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק

מטרת הפרויקט:

פיתוח יכולות חישת פרמטרים ביו רפואיים מאחורי קירות

תכולת הפרויקט:

ביצוע ניסויים בשתפ עם תעשייה בטחונית, איסוף וניתוח תוצאות

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

לא נידרש

מקורות:

N. Ozana, R. Bauer, K. Ashkenazy, N. Sasson, A. Schwarz, A. Shemer and Z. Zalevsky, “Demonstration of a Speckle Based Sensing with Pulse Doppler Radar for Vibrations Detection,” Sensors 18(5) (2018).

504 Analysis and simulations of nano-particle based viral testing

ניתוח וסימולציה של בדיקות וירליות על בסיס ננו-חלקיקים

שם המנחה: פרופ' יצחק ברגל
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' איציק ברגל

הרקע לפרויקט:

כפי שגילינו במגיפת הקורונה, יש חשיבות רבה ליכולת לבצע בדיקות לגילוי הדבקה בוירוס בצורה מדויקת ומהירה. כיום קיימות שיטות בדיקה מבוססות הגבר DNA, שהם איטיות אך נותנות תוצאות מדויקות מאוד, ולעומתם, בדיקות מהירות שהם פחות רגישות, ומצליחות לזהות את ההדבקה רק בשלבים מתקדמים. הפרויקט יעסוק בסוג חדש של בדיקות שמפותח במעבדה, ובו מפותחות בדיקות מהירות ורגישות המבוססות על הגבר של ננו-חלקיקים. הפרויקט מתאים למעוניינים להמשיך למחקר.

מטרת הפרויקט:

מידול מתימטי של בדיקה וירלית המתבססת על הגבר של ננו-חלקיקים, ואפיון זמני הבדיקה ורגישותה.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט יעשה שימוש במדידות שנעשו לאחרונה על ננו-חלקיקים המסוגלים לשחרר חומר מגיב בתגובה לנוכחות של מולקולות ספציפיות. המדידות יתורגמו למודל מתימטי בו יעשה שימוש הן לניתוח והן לסימולציה של מערכת ננו-חלקיקים שמסוגלת לזהות וירוסים.

קורסי קדם:

נושאים מתקדמים בתקשורת (במקביל לפרויקט)

מקורות:

Bergel, Itsik. "Detection and amplification of molecular signals using cooperating nano-devices." In ICASSP 2019-2019 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), pp. 1259-1263. IEEE, 2019.

603 Comparing Between different genetic networks using SCC computation

אלגוריתמים להשוואה בין רשתות גנטיות שונות באמצעות חישוב רכיבים קשירים חזקים

שם המנחה: יוגדר בהמשך
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' הלל קוגלר

הרקע לפרויקט:

רשתות גנטיות חישוביות מאפשרות לתאר דינמיקה של רשתות גנטיות בתאים וכך להסביר תצפיות ניסיוניות ולנבא תוצאות של ניסיונות שעדיין לא בוצעו. לעיתים קרובות יש מספר השערות שונות לרשת גנטית. בפרויקט נשתמש בחישוב של רכיבים קשירים כדי להשוות בין רשתות שונות ולהציע מדידות שיוכלו להבחין בין הרשתות. עבור גרף מכוון, רכיב קשירות חזק מכיל את כל הקודקודים x,y כך שניתן להגיע מ x ל y וגם מ y ל x .

מטרת הפרויקט:

בפרויקט נלמד אלגוריתמים סימבוליים למציאת רכיבים קשירים חזקים ונבנה כלי תוכנה למציאת רכיבים קשירים עבור גרפים גדולים ועבור אנסמבלים של גרפים.

תכולת הפרויקט:

במהלך הפרויקט הסטודנטים ילמדו מהם מהן רשתות גנטיות ואיך ניתן להשתמש ברשתות בוליאניות לתאר אותן. כמו כן ילמדו על אלגוריתמים סימבוליים למציאת רכיבים קשירים חזקים ויפתחו קוד יעיל ושיפורים הנדסיים לאפשר לאלגוריתם לפעול עבור גרפים גדולים ועבור אנסמבלים של גרפים והשוואות בין רשתות שונות. . נפתח גישות כדי להציע מדידות שיוכלו להבחין בין הרשתות.

קורסי קדם:

83691 Formal Verification and Synthesis (אפשר במקביל לפרויקט)
83670 Biological Computation (אפשר במקביל לפרויקט)

מקורות:

https://github.com/fsprojects/ReasoningEngine
Cytoscape.js
Roderick Bloem, Harold N. Gabow and Fabio Somenzi. An Algorithm for Strongly Connected Component Analysis in n log n Symbolic Steps. Formal Methods in System Design volume 28, pages 37–56, 2006.
B. Yordanov S-J Dunn, H. Kugler, A. Smith, G. Martello and S. Emmott. A method to identify and analyze biological programs through automated reasoning. Nature Systems Biology and Applications, 2016.
Peter, I.S., Faure, E. and Davidson, E.H., 2012. Predictive computation of genomic logic processing functions in embryonic development. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(41), pp.16434-16442.

239 Design and Simulation of Ionic Circuits

תכנון וסימולציה של מעגלים יוניים

שם המנחה: אלכס פיש
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אלכס פיש

הרקע לפרויקט:

רכיבים אשר מבוססים על ננוזרימה שולטים בעזרת אות חשמלי בתנועתם של מולקולות ביולוגיות טעונות. לאחרונה הראו שניתן לממש רכיבים כמו דיודות וטרנזיסטורים למימוש של מעגלים הדומים בהתנהגותם למעגלים אלקטרוניים. יחד עם זאת לא קיימים כלים או מתודולוגיה לתכנון של מעגלים אלו.

מטרת הפרויקט:

לקדם את היכולת לבצע סימולציה חשמלית ברמת המעגל למעגל המבוסס על רכיבים ננופלואידיים

תכולת הפרויקט:

להגדיר מודל מתמטי פשוט לרכיב ננופלואידי בהתאם למדידות הרכיב. להשתמש במודל כדי לבצע תכנון וסימולציה חשמלית של מעגל לוגיים .בחינת תוצאות הסימולציה אל מוד המדידות ועדכון המודל בהתאם.

קורסי קדם:

מעגלים משולבים

מקורות:

Chun, H. and Chung, T.D., 2015. Iontronics. Annual Review of Analytical Chemistry, 8, pp.441-462.