פרויקטי גמר - הנדסת חשמל - המעבדה לביו-הנדסה תשפ"ג

101 The application of gold nanoparticles in cancer treatments with machine learning models

שימוש בננו חלקיקים מזהב לפיתוח טיפולים לסרטן עם מודלים של למידת מכונה

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. לאחר מכן נתכנן טיפול רפואי מותאם אישי על ידי אלגוריתם שנפתח ומודלים של למידת מכונה הלוקח בחשבון פרמטרים כגון עוצמת הלייזר ומשך זמן הקרנה כדי להשיג תוצאה המותאמת לגידול ספציפי.

תכולת הפרויקט:

• לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים רלבנטיים.
• טיפול ומעקב אחר התאים שכולל כימות של התאים לאחר הטיפול האנטי סרטני בעזרת עיבוד תמונה, בדיקת מורפולוגיה ופרמטרים נוספים.
• בניית מודלים של למידת מכונה ושימוש בתכנות לאופטימיזציה של הטיפול.

קורסי קדם:

ביולוגיה למהנדסים

דרישות נוספות:

ידע מוקדם בImage J ו-Matlab יתרון

מקורות:

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

102 Spectral neural dynamics analysis of brain electrophysiological data

ניתוח דינמיקה עצבית ספקטרלית של נתונים אלקטרופיזיולוגיים מוחיים

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.

Electrocorticography (ECOG) is a promising technique in which brain activity is recorded directly from the surface of the human brain using specialized electrodes. 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. It is used, among other things, for brain-computer interfaces (BCI) as well as for other clinical applications.

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, it is still unknown how such activity dynamically changes over time. In the project, we will use several measures to investigate dynamic changes in the neural signals.

מטרת הפרויקט:

The aim of this project is to develop analysis tools and identify measures for temporal dynamics of neural activity in ECOG data.
The project will include constructing analysis code and machine-learning based models to better understand the functional role of ECOG signals.

תכולת הפרויקט:

The students 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:

דרושה יכולת תכנות ב-Matlab או פייתון.
קורסים:

• ניתוח אותות
• מדעי נתונים ביולוגיים

דרישות נוספות:

קורס נוירופיזיולוגיה של מערכות ו/או כל ידע על מערכות מוחיות.

מקורות:

1. 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
2. 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

103 Prediction of future gene expression in cells using computational modelling

ניבוי ביטוי הגנים העתידי בתא באמצעות מידול חישובי

שם המנחה: טל גולדברג
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר שחר אלון

הרקע לפרויקט:

מפות גנומיות מספקות תמונת מצב מפורטת של התאים ברקמות. במעבדה אנחנו משתמשים בטכנולוגיה חדשה שמאפשרת מדידה מרחבית של מפות גנומיות, וכך אפשר למדוד אינטראקציות בין תאים. כימות האינטראקציות בין תאים יכול לאפשר מידול של מחלות מורכבות כגון סרטן. עם זאת, תמונת המצב הנמדדת היא רגעית בלבד, ולכן אין מידע לגבי הדינמיות בתאים.
באמצעות מודל חישובי חדש בשם RNA velocity המתבסס על משוואות קצב ניתן לתאר את הדינמיות והכיווניות העתידית בביטוי הגנים בתאים.
האם ניבוי המצב העתידי של התאים ברקמה סרטנית יחשוף אנטראקציות בין תאי סרטן לתאי מערכת חיסון? הפרוייקט מנסה לענות על שאלה זו תוך יישום האלגוריתם והתאמתו למפה הגנומית המרחבית של הרקמה הסרטנית.

מטרת הפרויקט:

בפרוייקט נשתמש בחבילת “Velocyto” לצורך יישום RNA velocity model על מטריצות ביטוי גנים שהתקבלו משיטת single cell RNA sequencing. מאחר והמודל החדשני מאפשר ניבוי של ה-mRNA העתידי בתא, נחלץ מידע רחב היקף זה על התהליכים הדינמיים ברקמה הסרטנית. כמו כן, בשילוב עם המידע המרחבי של התאים ברקמה, ננסה לבדוק האם תאי מערכת החיסון מציגים דפוס ייחודי בביטוי הגנים העתידי שלהם כפונקציה של המרחק שלהם מתאי הסרטן.

תכולת הפרויקט:

• ניתוח מקדים של הנתונים: הכנה מותאמת של מטריצות ביטוי גנים כקלט לאלגוריתם.
• הכרה עמוקה של האלגוריתם לשלביו השונים, כתיבת קוד בפייתון שכולל מימוש של המודל.
• ניתוח הנתונים וזיהוי דפוסים בדאטא הויזואלי שהתקבל מהמודל.
• בחינת הקשר בין הדפוסים שהתקבלו במודל בקרב תאי מערכת החיסון לבין המידע על המרחק הפיזי שלהם מתאי הסרטן.
• סיכום התוצאות.
• כתיבת מאמר מהווה סיום בהצטיינות של הפרויקט.

קורסי קדם:

פיזיקה 1 ו-2

דרישות נוספות:

רקע בביולוגיה הוא יתרון

מקורות:

1. Xia, C., Fan, J., Emanuel, G., Hao, J., & Zhuang, X. (2019). Spatial transcriptome profiling by MERFISH reveals subcellular RNA compartmentalization and cell cycle-dependent gene expression. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(39), 19490-19499.
2. La Manno, G., Soldatov, R., Zeisel, A., Braun, E., Hochgerner, H., Petukhov, V., ... & Kharchenko, P. V. (2018). RNA velocity of single cells. Nature, 560(7719), 494-498.
3. https://www.alonlab.org/technology

104 Manipulating neural network formation in 3D magnetic platforms

שליטה ברשתות נוירונים ע"י פלטפורמות מגנטיות תלת-מימדיות

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 להראות היתכנות לבנות רשתות עצביות תלת-ממדיות באמצעות הכוונת חלקיקים ותאים לאזורי מטרה רצויים. לשם כך, נתכנן מערך מגנטים המבוסס על מודלים של שדות מגנטיים אשר יוביל ליצירת מוקדים מגנטיים. בהמשך, נייצר את המערך ע"י הדפסת תלת ממד. 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 מערך מגנטים ע"י הדפסת תלת ממד
• סימולציה ומידול של שדות מגנטיים
• ארגון חלקיקים מגנטיים במרחב כולל ניתוח כמותי של התפלגות החלקיקים
• טיפול בתאים על גבי המערכים המגנטיים ומעקב אחר התארגנות התאים

קורסי קדם:

קורס שדות אלקטרומגנטיים

דרישות נוספות:

ידע בתוכנות COMSOL או OOMMF – יתרון

מקורות:

1. 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
2. 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

105 Characterizing neuronal activity for therapeutic and research applications

אפיון פעילות חשמלית של תאי עצב עבור יישומים טיפוליים ומחקריים

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

הרקע לפרויקט:

הנוירונים במערכת העצבים מתקשרים ע"י סיגנלים חשמליים. על ידי ניתוח הפעילות החשמלית של תאי עצב ניתן ללמוד על פעילות מערכת העצבים כתגובה לגירויים שונים.
ברפואה ובמחקר נעשה שימוש נרחב בחלקיקים מגנטיים עבור העברה ממוקדת של תרופות, היפרטרמיה מגנטית, כחומר ניגוד ב-MRI, הנדסת רקמות ועוד.
יש חשיבות רבה לשמירה על פעילות חשמלית תקינה בעת שימוש בחלקיקים ולמרות השימוש הנרחב בהם, השפעתם של החלקיקים על הפעילות החשמלית של תאי העצב אינה ברורה.

מטרת הפרויקט:

מטרת פרויקט זה היא פיתוח פלטפורמה לניתוח סיגנלים חשמליים של תאי עצב הנרשמים בשיטת האלקטרופיזיולוגיה Patch-clamp. נאפיין ונבחן מספר פרמטרים של הפעילות החשמלית הטבעית בתאי עצב. לאחר מכן נבחן את השפעתם של ננו-חלקיקים מגנטיים על פעילותם של התאים.

תכולת הפרויקט:

• לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים בתחום
• עיבוד ואיפיון דפוסי פעילות של תאי עצב
• עיבוד ואיפיון דפוסי פעילות של תאי עצב הטעונים בננו-חלקיקים מגנטיים
• ניתוח התוצאות

קורסי קדם:

• פיזיולוגיה כמותית
• ידע בתכנות
• ידע בעיבוד אותות- יתרון

מקורות:

1. Ramaswamy, Bharath, et al. "Movement of magnetic nanoparticles in brain tissue: mechanisms and impact on normal neuronal function." Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 11.7 (2015): 1821-1829.‏
2. Zhang, Li I., and Mu-ming Poo. "Electrical activity and development of neural circuits." Nature neuroscience 4.11 (2001): 1207-1214.‏

106 Mapping of blood vessels, neurons and plaques in Alzheimer's disease using spatial genomics and image analysis

מיפוי של כלי דם, פלאקים ונוירונים במחלת אלצהיימר באמצעות גנומיקה מרחבית וניתוח תמונה

שם המנחה: יערה קרסיק
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר שחר אלון

הרקע לפרויקט:

מחלת האלצהיימר הינה מחלה קשה של מערכת העצבים המרכזית. הסיבות למחלה לא ידועות ובשל כך עד היום לא קיים טיפול יעיל למחלה. מחלת האלצהיימר מלווה באובדן ושינוי של נוירונים, בהופעתם של פלאקים עמילואידיים רעילים (Aβ plaques), בהצטברות של גושי סיבים (tangles) בתוך הנוירונים ובריבוי של תאי תמיכה (מיקרוגליה) פעילים. אחת משאלות המפתח היא מה הקשר בין המאפיינים הללו -- למשל איך מגיבים הנוירונים לסיגנליים המרחביים שמגיעים מהפלאקים והאם הקרבה לפלאקים גורמת למוות של הנוירונים? השאלה הזאת מתחברת לשאלה גדולה יותר - עד כמה הסביבה הפיזית של הנוירונים במוח משנה אותם?

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה נשתמש בטכנולוגיה חדשה שנקראת ׳ריצוף מרחבי׳ המאפשרת מיפוי מולקולרי של תאים בתוך רקמות בסופר רזולוציה. הטכנולוגיה מאפשרת ליצור ולנתח מפה מרחבית-מולקולרית ברמת התאים הבודדים במוח של עכברים חולי אלצהיימר. מפה זו תכלול סיגנלים מרחביים כמו פלאקים ותאי מיקרוגליה פעילים, יחד עם התוכן המולקולרי של הנוירונים במיקום המקורי שלהם ברקמה.
בפרויקט נתמקד בהוספה של מימד נוסף למדידות הללו -- מיפוי של כלי דם, שלהם חשיבות מרכזית בתמיכה בנוירונים. למיפוי המרחבי של כלי דם ברקמה יש שתי מטרות עיקריות: 1. לאפשר התמצאות מרחבית, כלומר עיגון של מספר רב של תמונות הכוללות אינפורמציה מרחבית רבה. 2. בחינת השפעת קרבת כלי דם לנוירונים ולפלאקים עמילואידיים ברמה המולקולרית.

תכולת הפרויקט:

הכרת ולמידת פרוטוקול הריצוף המרחבי במעבדה
תכנון פרוטוקול אימונוהיסטוכימיה לצביעת כלי דם ויישומו
צילום תוצאות עבור מידע רב-ממדי של ריצוף מרחבי
ניתוח תמונות וניתוח נתונים - איך הקרבה בין כלי דם, נוירונים ופלאקים משפיעה עליהם?
הסקת מסקנות וסיכום התוצאות
כתיבת מאמר מהווה סיום בהצטיינות של הפרויקט

קורסי קדם:

פיזיקה 1 ו-2

דרישות נוספות:

• רקע בביולוגיה הוא חובה
• רקע בעבודה במעבדה ביולוגית הוא יתרון

מקורות:

1. https://www.alonlab.org/technology
2. Hyperbaric oxygen therapy alleviates vascular dysfunction and amyloid burden in an Alzheimer’s disease mouse model and in elderly patients https://www.aging-us.com/article/203485/text

107 Spatial sequencing of neurons under the influence of nano topographic surfaces

מיפוי מולקולרי מרחבי של תאי עצב תחת השפעה של משטחים ננו-טופוגרפים

שם המנחה: אלכס גליק ואלון ריכטר
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר שחר אלון ופרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

מערכת העצבים מבקרת ומתאמת את כלל הפעילות של המערכות השונות בגוף והינה מחולקת לשני חלקים: מערכת העצבים המרכזית וההיקפית. אחד ההבדלים בין מערכת העצבים המרכזית להיקפית הוא ששלוחות תאי העצב (האקסונים) של מערכת העצבים המרכזית אינם מתחדשים באופן ספונטני לאחר פציעה לעומת מערכת העצבים ההיקפית בה הם מתחדשים אך באופן מוגבל ולא מיטבי ולכן פגיעה במערכת העצבים מהווה סכנה גדולה. חידוש, גידול והכוונה של תאי עצב אל יעד הפגיעה באופן מלאכותי יכולים להוות פריצת דרך בעולם השיקום העצבי ולאפשר חזרה לאיכות חיים עבור מיליוני אנשים. אם נפשט את תפקידו של תא העצב נאמר שהוא אחראי לקלוט ולעבד מידע באמצעות העברת אותות כימיים ואלקטרופיזיולוגיים. האקסון של תא העצב מנווט את דרכו ליעדו ע"פ אותות מהסביבה, כאשר צמיחת האקסונים מסתמכת על מגוון של מולקולות וחלבונים (guidance cues) המשפיעים על ההחלטה של מסלול הצמיחה בעקבות רמזים כימיים ומכאנו-טופוגרפי. נמצא כי כאשר מגדלים תאי עצב על מצע ננו-טופוגרפי מתרחשים שני תהליכים עיקריים. הראשון הוא שתאי העצב שולחים שלוחות בכיון הטופוגרפיה של מצע הגידול. והשני הוא שינוי באופן גדילת הנוירון - ממצב בו יוצאות הרבה שלוחות מגוף התא לכיוונים שונים למצב בו ישנם מעט שלוחות הנשלחות לכיוון ספציפי. בעקבות שני התהליכים האלה ניתן לגדל תאי עצב ולכוון את השלוחות שלהם לכל כיון שנדרש. מה שטרם ידוע הוא ההבדל המולקולרי בין תאי עצב שגדלו על משטח טופוגרפי לבין תאי עצב רגילים. איך המשטח משפיע ברמה המולקולרית על תאי העצב? למה יש תאים שלא הושפעו? תשובה לשאלות הללו יכולה לעזור בתהליכי שיקום עיצבי.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה נשתמש בטכנולוגיה שהיא בחזית המחקר - מיפוי מולקולרי מרחבי בסופר רזולציה בתאי עצב. בשיטה זה אנו מנפחים את תאי העצב פי 3 על מנת לקבל רזולוציה גבוהה ולאפשר ריצוף מרחבי של מולקולות הרנ"א. בעזרת הטכנולוגיה נוכל לדעת את מיקומם המרחבי המדויק של מאות גנים שרלוונטים לתאי עצב ולאפיין את השוני בין תאי עצב שמגיבים למשטח לאלה שלא וכך לקבל הבנה עמוקה יותר על ההשפעה השונה של תנאי הגידול הטופוגרפים על תאי העצב והשלוחות שלהם. מעבר להבנת הטכנולוגיה ויישום שלה, בפרויקט דרוש ניתוח נתונים מתקדם המשלב עיבוד תמונה.

תכולת הפרויקט:

• סקירת ספרות ובחירת גנים אותם נרצה למפות בצורה מרחבית בתאי העצב
• תיכנון מקטעי דנא (פרובים) במטלב בעזרתם מבצעים את הריצוף המרחבי
• הכרת ולמידת פרוטוקול העבודה במעבדה ויישומו על תאי העצב
• ריצוף הדוגמאות במיקרוסקופ ואיסוף דאטא לעבודה
• ניתוח הנתונים וזיהוי דפוסים של תאי עצב בתנאי טופוגרפיה שונים
• סיכום התוצאות
• כתיבת מאמר מהווה סיום בהצטיינות של הפרויקט

קורסי קדם:

פיזיקה 1 ו-2

דרישות נוספות:

• רקע בביולוגיה הוא חובה
• רקע בעבודה במעבדה ביולוגית הוא יתרון

מקורות:

https://www.alonlab.org/technology

108 Automation of super resolution spatial sequencing

אוטומציה של ריצוף מרחבי בסופר רזולוציה

שם המנחה: אלכס גליק
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר שחר אלון

הרקע לפרויקט:

במעבדה שלנו חוקרים רקמות בעזרת טכנולוגית ריצוף מולקולרי המאפשרת לדעת, בדיוק ננומטרי, מה מיקומם המרחבי של מאות גנים בתוך הרקמה. טכנולוגיה זו נמצאת בחזית המחקר ואף נכנסת לשימוש בתעשייה. כיום במעבדה הטכנולוגיה מאפשרת אפיון עמוק של מחלת הסרטן, אלצהיימר, עיוורון כתוצאה ממחלות רשתית, אוטיזם ועוד. הטכנולוגיה מבוססת על תהליכים אנזימטיים המתרחשים ברקמה וזיהוי מיקום המולקולות ע"י שימוש במיקרוסקופ כך שמתקבלות מפות גנומיות מדויקות של אזורים שונים ברקמה. בעזרת הריצוף ניתן לדעת היכן כל גן מתבטא ברקמה ומה רמת הביטוי של כל גן. ריצוף של כל גן מטרה כולל שבעה סבבים של פעילות אנזימטית וצילום במיקרוסקופ. כיום שלבי הריצוף האנזימטיים מתבצעים באופן ידני דבר הגורם לתזוזה של הרקמה וקושי לחזור לצלם את אותם אזורים רלוונטיים ברקמה, זמני תפעול ארוכים וביזבוז של כוח אדם. אוטומציה של התהליך תוכל לאפשר להשתמש בטכנולוגיה על מספר גדול יותר של רקמות, שיפור שיכולה להיות לו גם משמעות קלינית.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לתכנן ולבנות מערכת מיקרופלואידית שתאפשר אוטומציה של שלבי הריצוף האנזימטיים תחת המיקרוסקופ. בניית המערכת דורשת תכנון הנדסי מדויק כך שתכיל תא-זרימה (Flow Cell) אשר מותקן על במת המיקרוסקופ. בתוך תא הזרימה יונחו רקמות הניסויי ואל התא יוזרמו אנזימים וראגנטים שונים בזמנים מדוייקים ובטמפרטורות שונות. המערכת כולה צריכה לפעול על יד מחשב המיקרוסקופ ולכן יהיה צורך בהבנת חומרה ותוכנה. הפרויקט אמור לאפשר ריצוף מרחבי אוטומטי בסופר רזולוציה.

תכולת הפרויקט:

הכרת מערכת המיקרוסקופיה הקיימת במעבדה וכן תוכנות האנליזה לצורך הבנה בסיסית של הפרויקט
למידת שלבי הפרוטוקול הנדרשים לאוטומציה
חיבור במת המיקרוסקופ, תא הזרימה, המשאבות והמחשב למערכת אחת
הבנת הפקודות הנדרשות להפעלה מרחוק של המשאבות
יצירת קוד עבודה במטלב (או שפה אחרת) שיאפשר לכלל הרכיבים לפעול יחד
ריצוף לדוגמא והשגת דאטא
סיכום התוצאות

קורסי קדם:

מבוא להנדסת תוכנה ומחשבים

דרישות נוספות:

רקע בביולוגיה מומלץ

מקורות:

https://www.alonlab.org/technology

109 Machine learning for studying tumor samples

שימוש בלמידת מכונה לניתוח דוגמאות סרטניות

שם המנחה: נועה שפראך בוארון ומיכל דנינו לוי
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר שחר אלון וד״ר גונן זינגר

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.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט נשתמש במידע שהתקבל מטכנולוגיה שהיא בחזית המידע של חקר הסרטן - מיפוי מדויק של מולקולות ברקמה סרטנית.
כדי לנתח את המידע נשתמש בשיטות של למידת מכונה ובהתאם להתקדמות בפרויקט נשקול שימוש באלגוריתמים של למידה עמוקה.

תכולת הפרויקט:

1. ניתוח מקדים של הנתונים: זיהוי התאים ברקמה ואיחוד נתונים ממקורות שונים ליצירת מאגר אחד
2. כתיבת קוד בפייתון הכולל אוטומציה שתאפשר ניתוח של מספר רקמות בצורה מהירה ואפיון של הרקמות הסרטניות על ידי שירות של למידת מכונה.
3. בהתאם להתקדמות, נשקול שימוש בשיטות של למידה עמוקה.
4. ניתוח הנתונים וזיהוי דפוסים של מצבי התאים במחלה
5. סיכום התוצאות
6. כתיבת מאמר מהווה סיום בהצטיינות של הפרויקט

קורסי קדם:

אחד משלושת הקורסים הבאים:

• כריית מידע וייצוג מידע – 83676
• מבוא ללמידת מכונה
• מדעי נתונים ביולוגים

דרישות נוספות:

• רקע בלמידת מכונה הוא חובה
• רקע בביולוגיה הוא יתרון

מקורות:

1. https://www.alonlab.org
2. https://www.eng.biu.ac.il/singerg/

110 Improvement of automation tools and implementation of algorithms for image processing of large biological data

שיפור כלי אוטומציה ומימוש של אלגוריתמים לעיבוד תמונה על ביג דאטא ביולוגי

שם המנחה: מיכל דנינו לוי
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר שחר אלון

הרקע לפרויקט:

עבור טכנולוגיות ביולוגיות רחבות-היקף רבות, שלב קריטי בניתוח הדאטא הוא שלב עיבוד התמונה. זהו שלב המקשר בין קבלת תוצאות הניסוי מהמיקרוסקופ לשלב של עיבוד הנתונים והסקת המסקנות הביולוגיות. שלב זה דורש עבודה נרחבת ומגוונת של עיבוד תמונות בתלת-מימד, והוא כולל בין היתר אלגוריתמים של registration, filtering, normalization, thresholding ועוד. בפרויקט זה נשתמש במידע שהתקבל מטכנולוגיה חדשנית המאפשרת מיפוי מדויק של מולקולות ברקמה, ונתמקד באלגוריתמים של עיבוד התמונה שעליו נשען המשך ניתוח הנתונים.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט יתחיל בהכרה ובהבנה של הדאטא הביולוגי איתו נעבוד, ולאחר מכן בלמידה של סט האלגוריתמים לעיבוד תמונה בשימוש במעבדה, וביישום האוטומטי שלו הקיים היום במעבדה (שילוב של מטלב ו- Shell Script/bash script בלינוקס). מטרת הפרויקט היא לשפר את היישום האוטומטי ולממש אותו על סוגי רקמות שונים. למשל, רקמות מוח של עכבר, רקמות סרטניות של בני אדם וכו', על מנת לייעל את שלב ניתוח התמונה במעבדה.

תכולת הפרויקט:

• הכרת הנתונים הביולוגיים המשמשים כקלט וכפלט לשלב עיבוד התמונה.
• למידת כלים ואלגוריתמים חשובים בתחום של עיבוד תמונה.
• הבנת סט האלגוריתמים בשימוש במעבדה, המבוסס ברובו על registration בתלת מימד.
• שיפור כלי שכבר קיים במטלב וב Shell Script/bash script בלינוקס המאפשר אוטומציה של סט האלגוריתמים. המטרה היא לשפר את היציבות של הכלי הקיים ולהבטיח שהוא עובד על סוגי דאטא שונים.
• מימוש הכלי החדש על סוגי דאטא שונים.

קורסי קדם:

מבוא להנדסת תוכנה ומחשבים

דרישות נוספות:

רקע במטלב - חובה
רקע בלינוקס - חובה
רקע בעיבוד תמונה - יתרון
רקע ב - Shell Script/bash script - יתרון

מקורות:

https://www.alonlab.org/technology

111 Developing an algorithm to distinguish between different neurons based on the signature of their electrical signal, and analysis of the effect of conductive elements

פיתוח אלגוריתם לאבחנה בין תאי עצב שונים על סמך חתימת האות החשמלי שלהם, וניתוח מידת ההשפעה של אלמנטים מוליכים

שם המנחה: דפנה לבנברג
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

השימוש בננו חלקיקים מגנטיים להפעלת מניפולציות מגנטיות על תאים, ארגון רשתות נוירונים והכוונת תרופות לאזורי מטרה נעשה פופולרי ומהווה מוקד מחקר בשנים האחרונות.
התקשורת בין נוירונים היא באמצעות סיגנלים חשמליים, וזו למעשה אחראית על כל התפקודים העצביים, ולכן הבנת ההשפעה של נוכחות חלקיקים מגנטיים על הפעילות החשמלית של נוירונים היא קריטית והכרחית בכדי לקדם שימוש נרחב ויישומים חדשניים של שליטה מגנטית ברשתות נוירונים.

מטרת הפרויקט:

מטרת פרויקט זה הוא פיתוח אלגוריתם לאפיון הפעילות החשמלית של תאי עצב, בכדי לענות על שאלת המחקר כיצד משפיעים אלמנטים מתכתיים על הפעילות העצבית.

תכולת הפרויקט:

הפרויקט יכלול ניתוח דאטא כפי שיוקלט מתאי עצב ורשתות עצביות חיות והגדרת פרמטרים שמהם יפותח אלגוריתם לסינון ולקלסיפיקציה (לדוגמא spike detection, classification)

קורסי קדם:

פיזיולוגיה כמותית

דרישות נוספות:

MATLAB

מקורות:

Carter, M., & Shieh, J. (2015). Electrophysiology. Guide to Research Techniques in Neuroscience, 89–115. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800511-8.00004-6

Rey, H. G., Pedreira, C., & Quian Quiroga, R. (2015). Past, present and future of spike sorting techniques. Brain Research Bulletin, 119, 106–117. https://doi.org/10.1016/J.BRAINRESBULL.2015.04.007

112 Developing a device for brain drug delivery by acoustic waves

פיתוח רכיב לשינוע תרופות למוח בעזרת גלי קול

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

הרקע לפרויקט:

Today, many drugs have unacceptable side effects due to drug interacting with healthy tissues that are not the target site. Drug delivery systems are engineered technologies for the targeted delivery and/or controlled release of therapeutic agents. Drug delivery systems that respond to external stimulus have great research interest, as they enable pulsatile release of drug, according to external alterations. Many physical and chemical stimuli can be used as triggers, such as temperature, pH, light, electric fields, magnetic fields, osmotic pressure and ultrasound (US). US attracts great attention, due to its many advantages: absence of ionizing radiations, low cost, easy to operate and the ability to transmit energy to precise locations.

Drug delivery to the brain have additional obstacle, the blood-brain barrier (BBB) which is a diffusion barrier essential for protecting normal brain function by impeding most compounds from transiting from the blood to the brain. Consequently, the BBB obstruct many drugs from transiting to the brain.
Our goal is to develop an implantable device, loaded with drug for controlled and under demand release of the drug.

מטרת הפרויקט:

The students will design and fabricate a polymeric based device for controlled drug delivery by acoustic waves. They will examine and stimulate the effect of acoustic wave upon the device and cells in culture.

תכולת הפרויקט:

• Design and fabricate a device based on ultrasound responsive polymer, combine with a drug.
• The student will examine the influence of different US intensities and operation time on the drug release from the fabricated device.
• The student will examine the effect of acoustic wave on cell in culture, in regard of cell morphology and viability.
• Stimulation of the acoustic force upon the cells.

קורסי קדם:

• פזיולוגיה כמותית
• דימות רפואי

מקורות:

1. Kim, H. J.; Matsuda, H.; Zhou, H.; Honma, I. Ultrasound-Triggered Smart Drug Release from a Poly(Dimethylsiloxane)- Mesoporous Silica Composite. Advanced Materials 2006, 18 (23), 3083–3088.
2. Cohen, S.; Sazan, H.; Kenigsberg, A.; Schori, H.; Piperno, S.; Shpaisman, H.; Shefi, O. Large-scale acoustic-driven neuronal patterning and directed outgrowth. Scientific Report 2020, 10.
3. A. Stewart, S.; Domínguez-Robles, J.; F. Donnelly R.; Larrañeta, E. Implantable Polymeric Drug Delivery Devices: Classification, Manufacture, Materials, and Clinical Applications. Polymers 2018, 10, 1379.

113 Functional neuroimaging of the human brain via backscattered light analysis

ניטור פעילות מוחית ברגישות גבוהה ע"י אמצעים אופטיים בזמן אמת

שם המנחה: Nisan Ozana
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר ניסן אוזנה

הרקע לפרויקט:

הטכנולגיה מורכבת מבנייה של מערכת אינטרפרומטריה ומערכת לייזר פולסי אשר מסונכרנת עם מצלמה מהירה לצורך ניתוח תבניות אור המוחזרות מהמוח האנושי. בנייה של מערכת זו, תאפשר מדידה של שינויים המודינמיים עם רגישות גבוהה לצורך ניטור של פעילות מוחית בזמן אמת. הרגישות של המערכת תימדד בהשוואה של מערכות קיימות, כגון מערכת fNIRS ו DCS.

מטרת הפרויקט:

ההישג הינו פיתוח שיטה חדשה ורגישה למדידת שינויי זרימת דם במוח וניטור פעילות מוחית (ע"י arithmetic tasks, motor tasks, n-back tasks) בזמן אמת.

תכולת הפרויקט:

כתיבת סימולציות Monte Carlo, בנייה של המערכת האופטית (בנייה ואפיון של מערכת הלייזר) המסונכרנת עם המצלמה, כתיבת אלגוריתמיקה, ביצוע ניסויים בהשוואה למערכות קיימות וניתוח התוצאות.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה מודרנית, אותות ומערכות

דרישות נוספות:

יסודות אופטיקה ביו-רפואית (ניתן לקחת במקביל לפרויקט), דימות רפואי

מקורות:

1. https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-46-18-4498
2. https://doi.org/10.1002/jbio.201900201

114 Construction of an open source epifluorescencemicrocope

בניית מיקרוסקופ אפי-פלורסנציה

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

הרקע לפרויקט:

PUMA is an open source 3D printed microscope with man advanced features. It offers many advanced features at a faction of the cost of commercial microscopes.

מטרת הפרויקט:

The goal is to implement a complete epi-fluorescence microscope based on the PUMA design.

תכולת הפרויקט:

The student will design and build the microscope by following the open source specifications and instructions that have been published. The place to start is with the PUMA github page: https://github.com/TadPath/PUMA

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרואופטיקה

דרישות נוספות:

Ingenuity in solving problems is required. This project relies on 3D printing, optics and some software.

מקורות:

The place to begin is the PUMA github page" https://github.com/TadPath/PUMA.
View the many instructional videos that have been created for this project.

115 Quantifying adaptive immune traits in B and T cell receptor repertoire datasets

כימות תכונות של מערכת החיסון האדפטיבית בדאטאסטים של רצפי רצפטורים מתאי B ו T

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

הרקע לפרויקט:

Despite many research efforts and many decades of research, the adaptive immune system remains one of the most complex and mysterious systems in the human body. Most initial studies in the field used low-scale experimental setups, but with the introduction of high throughput sequencing (HTS), a more in-depth approach is in reach, termed adaptive immune receptor repertoire sequencing (AIRR-seq). The data obtained in these high throughput experiments requires dedicated statistical methods and big data analysis approaches to discover patterns that can aid in better understanding the adaptive immune system complexity.

מטרת הפרויקט:

In this project, you will choose one adaptive immune system trait (for example, somatic hypermutations, clones, diversity, genotype, etc.), quantify it in B and T cell receptor repertoire datasets, and compare the results with known datasets published in VDJbase.org. For example, we wish to quantify the somatic hypermutation phenomena in B cell repertoires in healthy and sick individuals, to broaden our understanding of adaptive immunity and use its traits for the prediction of diseases, diagnoses, and therapy design. The project will involve programming languages such as python, R, and bash, as well as field-specific software.

תכולת הפרויקט:

Reading and summarising relevant literature and scientific articles Familiarising with biological statistical analysis and NGS analysis tools

קורסי קדם:

מבוא לביולוגיה למהנדסים, מדעי נתונים ביולוגים

דרישות נוספות:

נסיון בתכנות ב R ו/או פייתון, ידע בסטטיסטיקה

מקורות:

1. Yaari, G., Kleinstein, S.H. Practical guidelines for B-cell receptor repertoire sequencing analysis. Genome Med 7, 121 (2015). https://link.springer.com/article/10.1186/s13073-015-0243-2
2. https://immcantation.readthedocs.io/en/stable/
3. https://presto.readthedocs.io/en/stable/
4. Erand Smakaj, Lmar Babrak, Mats Ohlin, Mikhail Shugay, Bryan Briney, Deniz Tosoni, Christopher Galli, Vendi Grobelsek, Igor D’Angelo, Branden Olson, Sai Reddy, Victor Greiff, Johannes Trück, Susanna Marquez, William Lees, Enkelejda Miho, Benchmarking immunoinformatic tools for the analysis of antibody repertoire sequences, Bioinformatics, Volume 36, Issue 6, 15 March 2020, Pages 1731–1739, https://academic.oup.com/bioinformatics/article/36/6/1731/5686386?login=true

116 Exploring and quantifying the publicness of B and T cell receptors

כימות הדמיון בין רפרטוארים של מתאי B או T

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

הרקע לפרויקט:

The immune system's success in fighting evolving threats depends on its ability to adapt and diversify. A repertoire of receptors is carried by an extremely large number of lymphocytes, each of which is unique. The receptors are assembled by a complex process involving somatic recombination of a large number of gene segments. Despite the huge diversity, estimated at 10 9 -10 11 unique receptors per individual at any given time, recently it has been discovered that individuals share specific receptors.

מטרת הפרויקט:

In this project, you will explore this sharing using published tools such as IGOR and OLGA. These tools calculate the probability of creating a given receptor in an individual. Using these tools we can quantify the sharing and publicness of specific sequences. Identification of universal features of immune responses across individuals can be useful when designing vaccines to have a high probability of eliciting an immune response, or for identifying candidate T-cell clones in immunotherapeutic strategies. The project will involve working with programming languages such as python, R, and bash, as well as field-specific software.

תכולת הפרויקט:

Reading and summarising relevant literature and scientific articles Familiarising field-specific tools High-level statistical analysis

קורסי קדם:

מדעי נתונים ביולוגים, מבוא לביולוגיה למהנדסים

דרישות נוספות:

ניסיון תכנות בpython ו/או R, ידע בסטטיסטיקה והרצת תוכנות בסביבת bash

מקורות:

1. Marcou, Q., Mora, T. & Walczak, A.M. High-throughput immune repertoire analysis with IGoR. Nat Commun 9, 561 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-02832-w https://www.nature.com/articles/s41467-018-02832-w
2. Zachary Sethna, Yuval Elhanati, Curtis G Callan, Jr, Aleksandra M Walczak, Thierry Mora, OLGA: fast computation of generation probabilities of B- and T-cell receptor amino acid sequences and motifs, Bioinformatics, Volume 35, Issue 17, 1 September 2019, Pages 2974–2981, https://academic.oup.com/bioinformatics/article/35/17/2974/5292315
3. https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1008394
4. https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.101.062414
5. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/imr.12665

117 Using nanoparticles that respond to light to develop cancer therapies with mathematical models

שימוש בננו חלקיקים המגיבים לאור לפיתוח טיפולים לסרטן עם מודלים מתמטים

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. לאחר מכן נתכנן טיפול רפואי מותאם אישי על ידי אלגוריתם שנפתח ומודלים של למידת מכונה הלוקח בחשבון פרמטרים כגון עוצמת הלייזר ומשך זמן הקרנה כדי להשיג תוצאה המותאמת לגידול ספציפי.

תכולת הפרויקט:

לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים רלבנטיים.
טיפול ומעקב אחר התאים שכולל כימות של התאים לאחר הטיפול האנטי סרטני בעזרת עיבוד תמונה, בדיקת מורפולוגיה ופרמטרים נוספים.
בניית מודלים של למידת מכונה ושימוש בתכנות לאופטימיזציה של הטיפול.

קורסי קדם:

• מבוא ללמידת מכונה

דרישות נוספות:

• ידע מוקדם בImage J ו-Matlab יתרון

מקורות:

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

118 Modeling kidney diseases using unsupervised machine learning

מידול של מחלות מהכליה ע"י אלגוריתמים של למידת מכונה לא מונחית

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

הרקע לפרויקט:

Exciting new technologies such as RNA-Seq and Spatial Transcriptomics yield huge amounts of high dimensional biological datasets. Appropriate use of machine learning/statistical methods can help extract useful biological signals, enhancing our understanding of factors driving the origin and development of various diseases.

מטרת הפרויקט:

The aim of this project is to apply unsupervised machine learning methods, dimensional reduction techniques, and other appropriate algorithms to discover patterns in gene expression and alternative splicing in kidney diseases.

תכולת הפרויקט:

This project will involve developing and applying statistical techniques on both high throughput sequencing count data and raw nucleotide sequences. More specifically, the student will read literature, write code, and interpret the results appropriately using acquired domain knowledge.

קורסי קדם:

• מבוא ללמידת מכונה

דרישות נוספות:

• יכולת תכנות בסיסית
• מומלץ: היכרות עם סביבת linux

מקורות:

1. Characterization of the continuous transcriptional heterogeneity in Wilms’ tumors using unsupervised machine learning Trink Y, Urbach A, […], Kalisky T bioRxiv (2022) 2022.06.06.494924
2. Single-Cell RNA Sequencing Reveals mRNA Splice Isoform Switching during Kidney Development Wineberg Y, Bar-Lev T, […] Kalisky T, Journal of the American Society of Nephrology : JASN (2020) 31(10) 2278-2291

119 Developing a device for urine characterization

פיתוח רכיב לאפיון בדיקות שתן

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

הרקע לפרויקט:

אפיון שתן עבור מטופלים בטיפול נמרץ: הפרויקט מבוסס על רכיב המפותח בחברת FIZE medical. החברה מפתחת מכשיר המיועד לחולים בטיפול נמרץ, המתחבר לקטטר, מבצע שאיבה אוטומטית של שלפוחית השתן, ומספק נתונים מדויקים על השאיבה- דבר שהינו קריטי עבור חולים במצב זה.
אחד השלבים הבאים שהחברה מעוניינת בו הינו אפיון וניתוח השתן עצמו על מנת להפיק מכך עוד נתונים. עיקר הניתוח הינו בשקיפות השתן, וכן באפיון חומרים נוספים המשפיעים על עכירותו ועוד. הפרויקט אמור לכלול הצעה לרכיב שהינו תוסף למכשיר המפותח כעת.

מטרת הפרויקט:

מציאת פרמטרים אותם ניתן ללמוד מדגימת השתן

תכולת הפרויקט:

לימוד המכשיר הקיים והסיגנלים הנמדדים בו, ניתוח הפרמטרים הניתנים למדידה במכשיר, ניתוח סיגנלים לדוגמא שיקלטו במכשיר הקיים וניטור סיגנלים עתידיים. עבודת ניתוח תמונת השתן והרכב חומרים.

קורסי קדם:

עיבוד אותות

מקורות:

ניתוח בדיקות שתן - מאמרים עכשויים לסנסורים

פרויקטים נוספים מומלצים

205 Analog to Digital Converter based the SAR (Successive Approximation Register) Algorithm

ממיר אנלוג לדיגיטל מבוסס על מדולטור של SAR

שם המנחה: David Zaguri
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' יוסי שור

הרקע לפרויקט:

Analog to digital converters are used to transfer real-world information, which is analog, to the digital domain for further signal processing. This is an extremely important function which is prevalent in all computer systems. There is a constant battle to improve performance, lower power, increase bandwidth and other performance parameters.

מטרת הפרויקט:

In this project you will design a highly compact analog to digital converter (ADC) using the SAR (Successive Approximation Register). The SAR topology is one of the most attractive for low power and compact ADC applications. It is also a relatively simple architecture conceptually and lends itself to many types of optimizations to improve accuracy, reduce area and enable low power operation. You will need to learn the theory and then implement the circuit in 65nm CMOS. The SAR ADC includes both analog and digital blocks, which will allow you to develop skills in both. We may also look at noise-shaping SAR's which are a new category of ADC's which lower the noise level and increase SNR.

תכולת הפרויקט:

n this project the student will design a SAR ADC using digital and analog techniques. The schematics will be prepared in Virtuoso and simulated. Layout and post-layout simulations will be conducted to verify the circuit performance.

קורסי קדם:

• 768330301 אלקטרוניקה לינארית - חובה
• 768332501 מעבדה למעגלים אנלוגיים – חובה
• 8330801 מעגלים אלקטרוניים ספרתיים – חובה
• 83315 מעבדה מעגלים אלקטרוניים ספרתיים – חובה
• 768361101 מעגלים משולבים אנלוגיים – מומלץ

מקורות:

1. Analog Integrated Circuit Design – Tony Chan Carusone, David Johns and Kenneth Martin – John Wiley Publishers. Chapters 16 and 17
2. “A compact 10-b SAR ADC with unit-length capacitors and a passive FIR filter” P Harpe IEEE Journal of Solid-State Circuits 54 (3), 636-645

214 Design and simulation of ionic circuits that combine processing and sensing capability

תכנון וסימולציה של מעגלים יוניים המשלבים יכולת עיבוד וחישה

שם המנחה: נועה עדרי פריימן
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. לאחרונה הראנו שרשור של מספר שערים לוגיים המבוססים על הדיודה הננופלואידית. בפרויקט זה נחקור את היכולת לבצע חישה המבוססת על אותם רכיבים ונבחן את היכולת לבצע סימולציה חשמלית למערכת.

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 ביחד עם מעגלי החישה. בחינת תוצאות הסימולציה אל מול המדידות ועדכון המודל בהתאם.

קורסי קדם:

מעגלים משולבים

מקורות:

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

215 Design and Simulation of Complex logic circuit based on DNA strand displacement

תכנון וסימולציה של מעגלים לוגיים מורכבים מבוססי דנ"א

שם המנחה: חן צרור אזנקוט ; רומן גולמן ; נועה עדרי פריימן
אחראי/ת אקדמי/ת:  פרופ' אלכס פיש

הרקע לפרויקט:

ניתן לממש מעגלי חישוב אשר מבוססים על האינטראקציה בין מולקולות DNA. יחד עם זאת תכנון מעגלים מורכבים יותר המבוססים על DNA דורש הבנה מעמיקה בתחום הביולוגיה המולקולרית יחד עם יכולות תכנון וסימולציה מתקדמות. בפרויקט זה אנו מציעים לבחון האם מתודולוגיה מתחום תכנון החומרה, אשר בה יוצרים מידול למעגל חישובי מסוים ע"פ איפיון הביצועים במצבים שונים ומוגדרים מראש, יכול לשמש ולהועיל גם בחישוב מבוסס DNA.

מטרת הפרויקט:

היכרות עם תחום החישוב מבוסס דנ"א. בנייה של מודל למעגל חישוב מבוסס דנ"א שיאפשר בחינה של מעגלי דנ"א מורכבים ברמת אבסטרקציה גבוהה יותר.

תכולת הפרויקט:

ביצוע סקר ספרות על חישוב מבוסס דנ"א. היכרות עם מעגלי seesaw (מצורף מאמר) ועם סימולטור DSD. הבנה של האתגרים בבניית מעגל חישובי מבוסס דנ"א. בניית מודל ראשוני עבור מספר שערים לוגיים בסיסיים וסימולציה בעזרת כלי סימולציה של תכנון מעגלים אלקטרוניים.

קורסי קדם:

• מעגלים ספרתיים
• מעגלים משולבים

מקורות:

1. A simple DNA gate motif for synthesizing large-scale circuits
2. Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades

501 Advanced analysis and simulations of nano-particle based viral testing

ניתוח וסימולציה מתקדמים של בדיקות וירליות על בסיס ננו-חלקיקים

שם המנחה: הודיה הלוי
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 ומהווה המשך לפרויקט משנה שעברה.

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.

602 Comparing Between different genetic networks using SCC computation

אלגוריתמים סימבוליים להשוואה בין רשתות גנטיות שונות באמצעות חישוב רכיבים קשירים חזקים

שם המנחה: Eitan Tannenbaum
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.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט נשתמש בחישוב של רכיבים קשירים כדי להשוות בין רשתות שונות ולהציע מדידות שיוכלו להבחין בין הרשתות.

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)

דרישות נוספות:

יכולת תכנות טובה

מקורות:

1. https://github.com/fsprojects/ReasoningEngine
2. 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.
3. 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.
4. 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.

316 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: יפים ביידרמן
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. על בסיס פיזור זה נבחנת יכולת חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק. תבניות הפיזור הנוצרות עקב התאבכות עצמית של אור הלייזר ניקראות ספקלס. אלו תבניות אקראיות המשתנות בזמן כתלות בתהליכים הזמניים הקורים בתוך הרקמה הביולוגית. עי הפעלת ארכיטקטורה פשוטה של עיבוד תמונה המבוססת על קורלציה ניתן לשייך את השינויים המרחביים-זמניים של תבניות אלו עם ננו-רעידות המתרחשות ברקמה. מתוך ניתוח תבניות הננו-רעידות ניתן לבצע שערוך של פרמטרים בו רפואיים שונים הכוללים לחץ דם, מאפיני זרימת דם בכלי דם ועוד.

מטרת הפרויקט:

לשכלל המערכת הקיימת לניטור מרחוק של לחץ דם

תכולת הפרויקט:

• ביצוע ניסויים
• איסוף דאטה
• ניתוח דאטה

קורסי קדם:

• מבוא לאופטיקה

מקורות:

1. Z. Zalevsky, Y. Beiderman, I. Margalit, S. Gingold, M. Teicher, V. Mico and J. Garcia, "Sim

317 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-מגנטית המגיעה ממכ"ם והמפוזרת מרקמה ביולוגית של אדם הנימצא מאחורי קיר. תבניות הפיזור הנוצרות עקב התאבכות עצמית של אור הלייזר ניקראות ספקלס. אלו תבניות אקראיות המשתנות בזמן כתלות בתהליכים הזמניים הקורים בתוך הרקמה הביולוגית. עי הפעלת ארכיטקטורה פשוטה של עיבוד תמונה המבוססת על התמרות שונות המופעלות על תמונת הפיזורים ניתן לשייך את השינויים המרחביים-זמניים של תבניות אלו עם מיקרו-רעידות המתרחשות ברקמה. מתוך ניתוח תבניות הרעידה שיש לאדם הנימצא מאחורי הקיר, ניתן לבצע שערוך של פרמטרים בו רפואיים שונים הכוללים פעימות לב, נשימות ועוד. בגלל שקרינת המכ"ם חודרת קירות החישה הביו רפואית מבוצעת גם ללא קו ראיה ישיר לנימדד.

מטרת הפרויקט:

מדידת דופק ונשימות של אנשים מאחורי קיר וממרחק של לפחות 10 מטר

תכולת הפרויקט:

ביצוע ניסויים, איסוף ועיבוד מידע

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

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).

235 Electrolyte Impedance Spectroscopy

איפיון אימפדנס של אלקטרוליט

שם המנחה: פיני טנדייטניק
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) can provide detailed information regarding biochemical processes and electrolyte composition.
The EIS can provide insights about solution composition or the nature of the grafting or plated material on the electrodes [1,2]. The EIS can also be used in synthetic biology-based sensors [3]
A setup of 2,3,4 electrode setup [4,5] can be used for obtaining the measurements for a specific challenging problem. The advantages and the disadvantages of each strategy will be evaluated.

The PalmSens [6] commercial potentiostat system and the screen printed electrodes will be used as a baseline system for designing lower cost solution EIS setup which will be characterized and tested in this project.

This project is a collaboration with Prof. Drazen Jurisic (https://www.fer.unizg.hr/en/drazen.jurisic ) from Department of electronics in Zagreb University (he is an expert in analog circuits). As part of the ERASMUS project the students will visit Prof. Drazen Jurisic at his laboratory in Zagreb.

מטרת הפרויקט:

This project is about understanding of EIS and plan a low-cost system for EIS.

תכולת הפרויקט:

In this multi-disciplinary project, the student will learn how Electrochemical Impedance Spectroscopy can be used for material characterization. The project includes integration of analog and digital circuitry with wet biochemical material.

קורסי קדם:

• מעגלים משולבים

מקורות:

1. Popovtzer, Rachela, et al. "Electrochemical detection of biological reactions using a novel nano-bio-chip array." Sensors and Actuators B: Chemical 119.2 (2006): 664-672. (https://www.eng.biu.ac.il/rachelap/files/2012/05/Electrochemical-detect… )
2. Popovtzer, Rachela, et al. "Novel integrated electrochemical nano-biochip for toxicity detection in water." Nano letters 5.6 (2005): 1023-1027.
3. ( https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl0503227 ) 
4. Din, M. Omar, et al. "Interfacing gene circuits with microelectronics through engineered population dynamics." Science advances 6.21 (2020): eaaz8344. (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz8344 )
5. Franks, Wendy, et al. "Impedance characterization and modeling of electrodes for biomedical applications." Biomedical Engineering, IEEE Transactions on52.7 (2005): 1295-1302.
6. Yoon, Gilwon. "Dielectric Properties of Body Fluids with Various Hematocrit Levels." World Acad. Sci. Eng. Technol 5 (2011): 1646-1649.
7. Palmsens 4 Potentiostat , (https://www.bioanalytics.co.il/products/electrochemistry/palmsens-4-pot… )

238 Implementation of DNA based logic gates

מימוש מעגלים לוגיים המבוססים על מולקולות דנ"א

שם המנחה: נועה עדרי פריימן חן צרור אזנקוט
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אלכס פיש

הרקע לפרויקט:

ניתן לממש מעגלי חישוב אשר מבוססים על האינטראקציה בין מולקולות DNA. תכנון ומימוש של שער מבוסס דנ"א מצריך תכנון קפדני של רצפי הדנ"א אשר מרכיבים את השער. בפרויקט זה נתמקד במימוש המעגלים במעבדה.

מטרת הפרויקט:

היכרות עם תחום החישוב מבוסס דנ"א. מימוש שער יחיד ולאחר מכן ניסיון למימוש של שרשור של מספר שערי דנ"א. כמו כן, הפרויקט יחקור את הפרמטרים הנדרשים להתאמת תוצאות המדידות לתוצאות סימולציה.

תכולת הפרויקט:

סקר ספרות והכרות עם מאמרי מפתח בתחום חישוב דנ"א. מימוש שער יחיד ושרשרת שערים לוגיים במעבדה. בחינה של הוצאת פרמטרי ניסוי על מנת לחזות את תוצאות המעבדה בסימולציה.

קורסי קדם:

• מעגלים משולבים
• חישוב ביולוגי

מקורות:

1. Qian, Lulu, and Erik Winfree. 2011. “A Simple DNA Gate Motif for Synthesizing Large-Scale Circuits.” Journal of the Royal Society, Interface 8 (62): 1281–97. https://doi.org/10.1098/rsif.2010.0729.

2. Qian, Lulu, and Erik Winfree. 2011. “Scaling up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades.” Science (New York, N.Y.) 332 (6034): 1196–1201. https://doi.org/10.1126/science.1200520.