أنتج علماء الأعصاب أكبر مخطط توصيلات عصبية وخريطة وظيفية لدماغ الثدييات حتى الآن، باستخدام أنسجة من جزء من قشرة دماغ فأر مسؤول عن الرؤية، وهو إنجاز قد يُقدم فهماً أعمق لكيفية عمل الدماغ البشري.
وحدد العلماء البنية الدماغية في عينة نسيجية بحجم حبة رمل، تحتوي على أكثر من 200 ألف خلية، بما في ذلك ما يقرب من 84 ألف خلية عصبية تُسمى الخلايا العصبية، ونحو 524 مليون وصلة بين هذه الخلايا عند نقاط اتصال تُسمى المشابك العصبية.
وفي المجمل، جمعوا بيانات تغطي نحو 3.4 ميل (5.4 كيلومتر) من التوصيلات العصبية في جزء من الدماغ يُعالج المعلومات البصرية من العينين.
وقال عالم الأعصاب فورست كولمان، من معهد «ألين» لعلوم الدماغ، وأحد العلماء الرائدين في البحث الذي نُشر، اليوم الأربعاء، في مجلة «نيتشر»: «تأتي ملايين المشابك العصبية ومئات الآلاف من الخلايا بتنوع كبير في الأشكال والأحجام، وتحتوي على تعقيد هائل... النظر إلى تعقيدها يمنحنا شعوراً بالرهبة إزاء التعقيد الهائل لعقولنا».
القشرة المخية هي الطبقة الخارجية للدماغ، وهي الموقع الرئيسي للإدراك الواعي، والأحكام، وتخطيط الحركات وتنفيذها. وقال عالم الأعصاب أندرياس تولياس من كلية «بايلور» للطب، وأحد رواد البحث: «يدرس العلماء بنية الدماغ وتشريحه - بما في ذلك مورفولوجيا أنواع الخلايا المختلفة وكيفية ارتباطها - منذ أكثر من قرن».
وأضاف: «مع ذلك، كان فهم كيفية ظهور الوظيفة العصبية على مستوى الدائرة العصبية أمراً صعباً، إذ نحتاج إلى دراسة كلٍّ من الوظيفة والتوصيلات العصبية في الخلايا العصبية نفسها. وتمثل دراستنا أكبر جهد حتى الآن لتوحيد بنية الدماغ ووظيفته بشكل منهجي داخل فأر واحد».
رغم وجود اختلافات ملحوظة بين أدمغة الفئران والبشر، فإن العديد من المبادئ التنظيمية لا تزال محفوظة لدى مختلف الأنواع.
ركز البحث على جزء من هذه المنطقة يُسمى القشرة البصرية الأولية، وهو جزء من المرحلة الأولى من معالجة الدماغ للمعلومات البصرية وأُجري بواسطة «MICrONS»، وهو اختصار لعبارة «الذكاء الآلي» من «Cortical Networks»، وهو اتحاد علمي يضم أكثر من 150 عالماً من مؤسسات مختلفة.
أنشأ باحثون في كلية «بايلور» للطب خريطة للنشاط العصبي في مليمتر مكعب من القشرة البصرية الأولية من خلال تسجيل استجابات خلايا الدماغ خلال ركض فأر المختبر على جهاز المشي أثناء مشاهدة مجموعة متنوعة من صور الفيديو، بما في ذلك من أفلام «الماتريكس».
عُدِّل الفأر جينياً لجعل هذه الخلايا تُصدر مادة فلورية عند نشاط الخلايا العصبية. ثم صُوِّرت الخلايا العصبية نفسها في معهد «ألين».
جُمعت هذه الصور ثلاثية الأبعاد، واستخدم باحثو جامعة «برينستون» الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لإعادة بناء الخلايا العصبية وأنماط ارتباطها.
يتكون الدماغ من شبكة من الخلايا، بما في ذلك الخلايا العصبية التي تُنشَّط بواسطة مُحفِّزات حسية مثل البصر أو الصوت أو اللمس، وتتصل ببعضها البعض عبر نقاط تشابك عصبي. تتضمن الوظيفة الإدراكية التفاعل بين تنشيط الخلايا العصبية والارتباطات بين خلايا الدماغ.
يرى الباحثون فوائد عملية من هذا النوع من الأبحاث. وقال تولياس: «أولاً، يُمكن لفهم قواعد توصيلات الدماغ أن يُسلِّط الضوء على مُختلف الاضطرابات العصبية والنفسية، بما في ذلك التوحد والفصام، التي قد تنشأ عن تشوهات دقيقة في التوصيلات العصبية. ثانياً، إن المعرفة الدقيقة لكيفية تشكيل التوصيلات العصبية لوظائف الدماغ تُتيح لنا اكتشاف الآليات الأساسية للإدراك».
من النتائج الرئيسية التي سُلِّط الضوء عليها في البحث، رسم خريطة لكيفية تنظيم الاتصالات التي تشمل فئة واسعة من الخلايا العصبية في الدماغ تُسمى الخلايا المثبطة. عندما تنشط هذه الخلايا، فإنها تُقلل نشاط الخلايا التي تتصل بها. وهذا على عكس الخلايا المُثيرة، التي تزيد من احتمالية نشاط الخلايا التي تتصل بها.
تُمثل الخلايا المثبطة نحو 15 في المائة من الخلايا العصبية القشرية. وقال كولمان: «لقد وجدنا أنماط تثبيط أكثر تحديداً بكثير مما توقعه الكثيرون، بمن فيهم نحن». وأضاف: «لا تتصل الخلايا المثبطة عشوائياً بجميع الخلايا المُثيرة المحيطة بها، بل تختار أنواعاً محددة جداً من الخلايا العصبية للاتصال بها. علاوة على ذلك، كان من المعروف وجود أربعة أنواع رئيسية من الخلايا العصبية المثبطة في القشرة المخية، لكن أنماط التحديد تُقسّم هذه الفئات إلى مجموعات أدق بكثير».
