خريطة مذهلة لدماغ الفأر تكشف أسرار التواصل العصبي

بفضل فأر يشاهد مقاطع من فيلم "ماتريكس"، أنشأ العلماء أكبر خريطة وظيفية للدماغ حتى الآن - رسم تخطيطي للأسلاك التي تربط 84000 خلية عصبية أثناء إطلاقها للرسائل.

وباستخدام قطعة من دماغ ذلك الفأر بحجم بذرة الخشخاش، حدد الباحثون تلك الخلايا العصبية وتتبعوا كيفية تواصلها عبر ألياف تشبه الفروع من خلال 500 مليون وصلة تسمى نقاط الاشتباك العصبي.

وتمثل مجموعة البيانات الضخمة التي نشرتها يوم الأربعاء مجلة نيتشر خطوة نحو كشف لغز كيفية عمل أدمغتنا. هذه البيانات، التي تم تجميعها في إعادة بناء ثلاثية الأبعاد ملونة لتحديد دوائر الدماغ المختلفة، متاحة للعلماء في جميع أنحاء العالم لإجراء المزيد من الأبحاث - ولـ الفضوليين ببساطة لإلقاء نظرة خاطفة.

قال فوريست كولمان من معهد ألين لعلوم الدماغ في سياتل، وهو أحد الباحثين البارزين في المشروع: "إنه بالتأكيد يلهمك إحساسًا بالرهبة، تمامًا مثل النظر إلى صور المجرات". "ينتابك شعور بمدى تعقيدك. نحن ننظر إلى جزء صغير جدًا... من دماغ الفأر والجمال والتعقيد الذي يمكنك رؤيته في هذه الخلايا العصبية الفعلية ومئات الملايين من الوصلات بينها."

إن كيفية تفكيرنا وشعورنا ورؤيتنا وكلامنا وحركتنا ترجع إلى الخلايا العصبية، أو الخلايا العصبية في الدماغ - كيف يتم تنشيطها وإرسال الرسائل لبعضها البعض. وقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن هذه الإشارات تتحرك من خلية عصبية واحدة على طول ألياف تسمى المحاور العصبية والتغصنات باستخدام نقاط الاشتباك العصبي للقفز إلى الخلية العصبية التالية. ولكن هناك القليل مما هو معروف عن شبكات الخلايا العصبية التي تؤدي مهام معينة وكيف يمكن أن تلعب الاضطرابات في تلك الأسلاك دورًا في مرض الزهايمر أو التوحد أو اضطرابات أخرى.

قال العالم كلاي ريد، الذي ساعد في ريادة الفحص المجهري الإلكتروني لدراسة التوصيلات العصبية: "يمكنك وضع ألف فرضية حول كيفية قيام خلايا الدماغ بعملها، لكن لا يمكنك اختبار تلك الفرضيات ما لم تعرف ربما الشيء الأكثر أهمية - كيف تتصل تلك الخلايا ببعضها البعض."

من خلال المشروع الجديد، قام فريق عالمي يضم أكثر من 150 باحثاً برسم خريطة للوصلات العصبية التي يشبّهها كولمان بقطع متشابكة من السباغيتي المتعرجة في جزء من دماغ الفأر المسؤول عن الرؤية.

الخطوة الأولى: عرض مقتطفات فيديو لفأر من أفلام الخيال العلمي والرياضة والرسوم المتحركة والطبيعة.

فعل فريق من كلية بايلور للطب ذلك بالضبط، باستخدام فأر تمت هندسته بجين يجعل خلاياه العصبية تتوهج عندما تكون نشطة. واستخدم الباحثون مجهرًا يعمل بالليزر لتسجيل كيفية إضاءة الخلايا الفردية في القشرة البصرية للحيوان أثناء معالجتها للصور التي تومض.

بعد ذلك، قام العلماء في معهد ألين بتحليل تلك القطعة الصغيرة من أنسجة الدماغ، مستخدمين أداة خاصة لحلقها إلى أكثر من 25000 طبقة، كل منها أرق بكثير من شعرة الإنسان. وباستخدام المجاهر الإلكترونية، التقطوا ما يقرب من 100 مليون صورة عالية الدقة لتلك المقاطع، وألقوا الضوء على تلك الألياف الشبيهة بالمعكرونة وأعادوا تجميع البيانات بشق الأنفس بشكل ثلاثي الأبعاد.

أخيراً، استخدم علماء جامعة برينستون الذكاء الاصطناعي لتتبع كل تلك الأسلاك و"طلاء كل سلك من الأسلاك بلون مختلف حتى نتمكن من التعرف عليها بشكل فردي"، كما أوضح كولمان.

وقد قدروا أن الأسلاك المجهرية، إذا ما تم وضعها، سيصل طولها إلى أكثر من 3 أميال (5 كيلومترات). والأهم من ذلك، سمحت مطابقة كل هذا التشريح مع النشاط في دماغ الفأر أثناء مشاهدته للأفلام للباحثين بتتبع كيفية عمل الدوائر.

كما أنشأ باحثو برينستون أيضاً نسخاً رقمية ثلاثية الأبعاد من البيانات التي يمكن لعلماء آخرين استخدامها في تطوير دراسات جديدة.

هل يمكن لهذا النوع من رسم الخرائط أن يساعد العلماء في نهاية المطاف على إيجاد علاجات لأمراض الدماغ؟ يصف الباحثون هذه الخطوة بالخطوة التأسيسية، مثل الطريقة التي أدى بها مشروع الجينوم البشري الذي قدم أول رسم خرائط للجينات في نهاية المطاف إلى علاجات قائمة على الجينات. ويعد رسم خريطة كاملة لدماغ الفأر أحد الأهداف التالية.

"وقال باحث آخر من كبار الباحثين في المشروع، عالم الأعصاب وعالم الحاسوب في جامعة برينستون سيباستيان سيونغ، في بيان: "ستمنحنا التقنيات التي طورها هذا المشروع فرصتنا الأولى لتحديد نوع من النمط غير الطبيعي للترابط الذي يؤدي إلى حدوث اضطراب ما.

وكتب عالما الأعصاب في جامعة هارفارد مارييلا بيتكوفا وجريجور شوكنيخت، اللذان لم يشاركا في المشروع، أن هذا العمل "يمثل قفزة كبيرة إلى الأمام ويوفر مورداً مجتمعياً لا يقدر بثمن للاكتشافات المستقبلية".

وأضافا أن البيانات الضخمة والمشتركة علناً "ستساعد في كشف الشبكات العصبية المعقدة الكامنة وراء الإدراك والسلوك".

تم تمويل اتحاد الذكاء الآلي من الشبكات القشرية، أو MICrONS، من قبل مبادرة BRAIN التابعة للمعاهد الوطنية للصحة ونشاط مشاريع البحوث المتقدمة في مجال الاستخبارت IARPA.