كيف أنشأنا أول خريطة لدماغ حشرة – وماذا تعني لفهمنا للدماغ البشري

تخيل أنك تحاول التنقل في مدينة غير مألوفة لكنك فقدت هاتفك الذكي. ليس لديك خريطة. ولافتات الشوارع بلغة أجنبية. هذا ما يشعر به علماء الأعصاب عند دراسة الدماغ.

تقوم مليارات الخلايا العصبية في الدماغ البشري بعمل تريليونات من الاتصالات مع بعضها البعض ، مما يشكل متاهة معقدة من الطرق (المسارات العصبية) التي تجعلنا ما نحن عليه. المسار العصبي عبارة عن سلسلة من الخلايا العصبية المتصلة التي ترسل إشارات من جزء من الدماغ إلى جزء آخر. تتحكم هذه الشبكات في طريقة تفكيرنا وتخزين ذكرياتنا والتفاعل مع بعضنا البعض. لا يمتلك علماء الأعصاب بعد التكنولوجيا اللازمة لتحديد حتى جزء صغير من الاتصالات داخل الدماغ البشري. ليس لدينا خريطة.

لكن فريقًا دوليًا من العلماء في مختبر MRC للبيولوجيا الجزيئية بجامعة كامبريدج وجامعة جونز هوبكنز قد حقق تقدمًا كبيرًا. رسمنا خريطة للدماغ الأكثر تعقيدًا حتى الآن: حشرة. يشبه هذا الدماغ من نواحٍ كثيرة دماغ الإنسان ، مع نصفي كرة ، وهيكل يشبه جذع الدماغ ومكافئ للحبل الشوكي يتحكم في عضلات الحيوان.

قد يعطينا فهم هذا الدماغ العديد من القرائن حول كيفية عمل الدماغ البشري.

لا يوجد سوى عدد قليل من خرائط الدماغ ، أو الشبكات العصبية ، المتاحة اليوم. تلك الموجودة مخصصة للحيوانات البسيطة ، مثل الديدان أو نافورات البحر ، التي تحتوي على بضع مئات من الخلايا العصبية.

أنت بحاجة إلى معدات باهظة الثمن لرسم خريطة للأدمغة ، مثل المجاهر الإلكترونية القوية لتصوير المشابك الصغيرة بين الخلايا العصبية ، كل منها يقيس حوالي 10 بلايين من المتر. نقاط الاشتباك العصبي هي تقاطعات حيث تتواصل الخلايا العصبية مع بعضها البعض. حتى بالنسبة للأدمغة البسيطة ، يستغرق الأمر سنوات لإعادة بناء الطرق العصبية والمشابك العصبية والخلايا العصبية.

في دراسة حديثة نُشرت في Science ، قمت أنا والمؤلفون المشاركون بتخطيط يرقة ذبابة الفاكهة (ذبابة الفاكهة سوداء البطن) دماغ يحتوي على 3016 خلية عصبية وأكثر من نصف مليون موقع متشابك. هذه الحشرات معقدة بشكل مدهش. يمكن أن تشعر يرقات ذبابة الفاكهة بالألم ، وتشكل ذكريات جيدة وسيئة ، وتعمل في فريق مع جيرانها للبحث عن الطعام.

ما تعلمناه

أول ما اكتشفناه هو أن الخلايا العصبية لذبابة الفاكهة تتواصل مع بعضها البعض ليس بطريقة واحدة ، بل بأربع طرق مختلفة.

يعتقد العلماء أن الطريقة الرئيسية التي تتواصل بها الخلايا العصبية مع بعضها البعض هي استخدام كابلها (محور عصبي) لإرسال نواقل عصبية (مراسلات كيميائية) إلى التغصنات في خلية عصبية أخرى. التشعبات هي زوائد مصممة لتلقي إشارات من الخلايا الأخرى. ومع ذلك ، كان هذا صحيحًا فقط بالنسبة لنصف الاتصالات في دماغ يرقة ذبابة الفاكهة. في بعض الأحيان ، ترسل الخلايا العصبية لذبابة الفاكهة رسائل من محور عصبي إلى محور عصبي ، أو من التغصنات إلى التغصنات ، أو التغصنات إلى المحوار.

كان الباحثون على دراية بهذه الأنواع من الروابط ، لكن لم يُعرف الكثير عنها أو عددها. لقد صُدم فريقنا بالعدد الهائل منهم ، والذي يمثل ما يقرب من نصف اتصال الدماغ. لقد سمحوا للخلايا العصبية بالاتصال ببعضها البعض بطرق لم نأخذها في الاعتبار من قبل ، على سبيل المثال ، من خلال الجمع بين أنواع اتصال متعددة في وقت واحد.

نظرًا لوجود العديد من الخلايا العصبية ، من الصعب التفكير في الدماغ على أنه كتلة واحدة من الخلايا العصبية المترابطة. لذلك يبسط علماء الأعصاب الأشياء عن طريق تجميع “أنواع الخلايا” المتشابهة معًا. كل خلية عصبية لها شكل ودور فريد في الدماغ – بشكل أساسي بصمة الإصبع الخاصة بها. لكن لا يوجد إجماع حول كيفية تحديد أنواع الخلايا هذه.

عثر فريقي على طريقة جديدة لتحطيم بنية الدماغ إلى أبسط أشكالها ، وذلك باستخدام الروابط بين الخلايا العصبية وحدها. وجدنا 93 نوعًا من الخلايا عبر دماغ يرقة ذبابة الفاكهة. كان للخلايا العصبية داخل كل مجموعة من هذه المجموعات أشكال متشابهة وأدت أدوارًا متشابهة في الدماغ ، على سبيل المثال ، تلقي المعلومات المرئية من العين.

بعد ذلك ، ركزنا على جوهر الدماغ بمزيد من التفصيل. قمنا بتطوير خوارزمية تتعقب الإشارات عبر الدماغ. اعتقد العلماء أن الخلايا العصبية المختلفة كانت مخصصة لحواس مختلفة ولم تتجمع هذه الإشارات إلا في وقت لاحق. ولكن باستخدام الخوارزمية الخاصة بنا ، اكتشفنا أن معظم الخلايا العصبية متعددة المهام ، تؤدي أدوارًا مختلفة اعتمادًا على الإشارات الحسية المعينة التي تعاني منها يرقة ذبابة الفاكهة. كانت الخلايا العصبية التي عالجت إشارة حسية واحدة نادرة.

الخوارزميات والعقول

أظهر دماغ يرقات ذبابة الفاكهة أوجه تشابه مذهلة مع الذكاء الاصطناعي (AI). تم وضع المسارات عبر الدماغ فوق بعضها البعض مثل ResNets ، (الشبكات العصبية الاصطناعية التي تسمح للشبكات العميقة بتعلم المهام بشكل أفضل) ، مما يسمح لها بحزم المزيد من القوة. احتوت العديد من مسارات الدماغ على حلقات. ظهر هذا بشكل خاص في مركز التعلم والذاكرة ، وربما كان يعمل مثل الشبكة العصبية المتكررة (الشبكات العصبية الاصطناعية ذات الاتصالات الحلقية).

ولكن حتى الأدمغة البسيطة يمكنها أداء العديد من المهام بشكل جيد ، بينما يمكن للذكاء الاصطناعي القيام بعمل جيد لمهمة واحدة فقط. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العقول أكثر كفاءة ، حيث تستخدم طاقة أقل بكثير من الذكاء الاصطناعي. إذا استخدم الدماغ طاقة كافية لتشغيل مصباح كهربائي لحل مشكلة ما ، فقد يحتاج الذكاء الاصطناعي إلى الطاقة اللازمة لبناء وقيادة خمس سيارات لمسافة 120 ألف ميل لاكتشاف نفس اللغز.

أصبح الذكاء الاصطناعي أكثر شيوعًا ، مع اختراقات مثل ChatGPT. تزداد هذه التكنولوجيا جوعًا للطاقة ، مع إمكانية تفاقم أزمة المناخ الحالية. سيكون تعلم كيف يمكن للعقول حل المشكلات المعقدة بأقل استخدام للطاقة أمرًا ضروريًا لتقليل البصمة الكربونية للذكاء الاصطناعي.

تعتبر دراسة فريقي علامة فارقة في فهم هياكل الأدمغة. نظرًا لأن ذبابة الفاكهة تشترك في العديد من الجينات مع البشر ، فقد تساعد خريطة دماغ يرقات ذبابة الفاكهة العلماء على تعلم كيف تغير الطفرات المسببة للأمراض أسلاك الدماغ في الحالات العصبية ، مثل اضطرابات طيف التوحد وانفصام الشخصية.

مع وجود خريطة الدماغ في متناول اليد ، يمكن الحصول على إجابات للأسئلة المتعلقة بوظيفة الدماغ والخلل الوظيفي. كل ما علينا القيام به هو الاستمرار في الاستكشاف.