عدد المشاهدات 1368
(يَا أَيُّهَا النَّاسُ ضُرِبَ مَثَلٌ فَاسْتَمِعُوا لَهُ إِنَّ الَّذِينَ تَدْعُونَ مِنْ دُونِ اللَّهِ لَنْ يَخْلُقُوا ذُبَابًا وَلَوِ اجْتَمَعُوا لَهُ وَإِنْ يَسْلُبْهُمُ الذُّبَابُ شَيْئًا لَا يَسْتَنْقِذُوهُ مِنْهُ ضَعُفَ الطَّالِبُ وَالْمَطْلُوبُ) [الحج: 73]
اشترك في قناة «الأئمة الاثنا عشر» على تليجرام
يقول العلماء إن التحليل الجديد الهائل لشبكة أسلاك دماغ ذبابة الفاكهة يعد علامة فارقة في مجال علم الوصلات العصبية الحديث.
دماغ ذبابة الفاكهة هو بحجم بذرة الخشخاش ويسهل تجاهله.
قال فيفيك جيارامان عالم الأعصاب في حرم جانيليا للأبحاث في معهد هوارد هيوز الطبي في فيرجينيا: "أعتقد أن معظم الناس لا يعتقدون حتى أن الذبابة لها دماغ، لكن بالطبع يعيش الذباب حياة حافلة".
الذباب قادر على أداء السلوكيات المعقدة، بما في ذلك التنقل في المناطق المتنوعة والصراع مع المنافسين وغناء الأزواج المحتملين وأدمغتهم المتناهية الصغر معقدة للغاية، وتحتوي على حوالي 100000 خلية عصبية وعشرات الملايين من الوصلات أو المشابك فيما بينها.
منذ عام 2014، قام فريق من العلماء في حرم جانيليا بالتعاون مع باحثين في جوجل برسم خرائط لهذه الخلايا والمشابك العصبية في محاولة لإنشاء مخطط شامل للأسلاك يُعرف أيضًا باسم الشبكة العصبية لدماغ ذبابة الفاكهة.
العمل المستمر مستهلك للوقت والأموال حتى بمساعدة خوارزميات التعلم الآلي الحديثة. لكن البيانات التي تم إصدارها حتى الآن مذهلة في تفاصيلها، حيث شكلت أطلسًا لعشرات الآلاف من الخلايا العصبية الشائكة في العديد من المناطق الحاسمة في دماغ الذبابة.
والآن في ورقة بحثية جديدة هائلة نُشرت يوم الثلاثاء في مجلة eLife، بدأ علماء الأعصاب في إظهار ما يمكنهم فعله مع النتائج التي توصلوا اليها.
من خلال تحليل الشبكة العصبية لجزء صغير فقط من دماغ الذبابة -الجزء المركزي الذي يلعب دورًا مهمًا في الحركة والتنقل- حدد الدكتور جيارامان وزملاؤه العشرات من أنواع الخلايا العصبية الجديدة والدوائر العصبية المشخصة التي يبدو أنها تساعد الذباب في شق طريقه عبر العالم. يمكن أن يساعد العمل في نهاية المطاف في توفير نظرة ثاقبة حول كيف تعالج جميع أنواع أدمغة الحيوانات - بما في ذلك الأدمغة البشرية - فيضان المعلومات الحسية وتترجمها إلى عمل مناسب.
كما أنه دليل على مبدأ للمجال الناشئ لعلم الوصلات الدماغية الحديث، والذي تم بناؤه بناءً على أمل بأن إنشاء مخططات تفصيلية لشبكة موصلات الدماغ سيحقق مكاسب علمية.
قال الدكتور كلاي ريد كبير الباحثين في معهد ألين لعلوم الدماغ في سياتل عن البحث الجديد: "إنه لشيء يدعو للإعجاب حقًا، أعتقد أن أي شخص ينظر إلى هذا البحث سيقول إن شبكة الوصلات العصبية هي الأداة نحتاجها في علم الأعصاب وهو امر لا جدال فيه ."
تنتمي الشبكة العصبية الكاملة الوحيدة في مملكة الحيوان إلى الدودة المستديرة المتواضعة التي تسمى علمياً C. elegans. بدأ عالم الأحياء الرائد سيدني برينر الذي فاز لاحقًا بجائزة نوبل المشروع في الستينيات. قضى فريقه الصغير سنوات في ذلك مستخدمًا أقلام ملونة لتتبع جميع الخلايا العصبية البالغ عددها 302 يدوياً.
قال سكوت إيمونز، عالم الأعصاب وعلم الوراثة في كلية ألبرت أينشتاين للطب الذي استخدم لاحقًا التقنيات الرقمية لإنشاء شبكات عصبية جديدة من الدودة المستديرة: "أدرك برينر أنه لفهم الجهاز العصبي يجب أن تعرف بنيته، وهذا صحيح عبر علم الأحياء البنية مهمة للغاية ".
نشر برينر وزملاؤه بحثهم التاريخي، الذي جاء في 340 صفحة، في عام 1986.
لكن مجال شبكات الوصلات العصبية الحديثة لم ينطلق حتى العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عندما أتاح التقدم في التصوير والحوسبة أخيرًا إمكانية تحديد الروابط في أدمغة أكبر. في السنوات الأخيرة، بدأت فرق البحث حول العالم في تجميع الشبكات العصبية لأسماك الزرد والطيور المغردة والفئران والبشر والمزيد.
عندما افتتح حرم جانيليا للأبحاث في عام 2006 وضع جيرالد روبين مديره المؤسس أنظاره على ذبابة الفاكهة. قال الدكتور روبن: "لا أريد أن أسيء إلى أي من رفاقي الديدان، لكنني أعتقد أن الذباب هو أبسط دماغ يقوم بسلوك معقد ومثير للاهتمام ".
شرعت العديد من الفرق المختلفة في جانيليا في مشاريع شبكة الوصلات العصبية في دماغ ذبابة في السنوات التي تلت ذلك، لكن العمل الذي أدى إلى الورقة الجديدة بدأ في عام 2014، بدماغ أنثى ذبابة فاكهة عمرها خمسة أيام.
قام الباحثون بتقطيع دماغ الذبابة إلى ألواح ثم استخدموا تقنية تُعرف باسم المسح المجهري الإلكتروني لشعاع الأيونات المركزة لتصويره، طبقة تلو الأخرى. كان المجهر يعمل بشكل أساسي مثل مبرد أظافر متناهي الصغر والدقة، حيث يقوم بإزالة طبقة رقيقة جدًا من الدماغ، والتقاط صورة للأنسجة المكشوفة ثم يكرر العملية الى ان لا يتبقى شيء.
قام الباحثون بتقطيع دماغ الذبابة إلى شرائح رقيقة للغاية، وصوروا كل شريحة بمجهر إلكتروني، ثم قاموا بتجميع الصور معًا للسماح للعلماء بتتبع مسار كل خلية عصبية عبر الدماغ.
قال الدكتور جايارامان: "إنك تقوم في نفس الوقت بتصوير دماغ الذبابة وتشريحه، لذلك لا يتبقى شيء بعد ان تنتهي". "لذلك إذا أخطأت في شيء ما ستفسد الأمد برمته".
استخدم الفريق بعد ذلك برنامج إبصار حاسوبي لربط ملايين الصور الناتجة معًا في مجلد واحد ثلاثي الأبعاد وإرسالها إلى شركة غوغل. هناك استخدم الباحثون خوارزميات التعلم الآلي المتقدمة لتحديد كل خلية عصبية فردية وتتبع فروعها الملتوية.
أخيرًا، استخدم فريق جانيليا أدوات حسابية إضافية لتحديد نقاط الاشتباك العصبي، وقام الباحثون البشريون بمراجعة عمل أجهزة الكمبيوتر وتصحيح الأخطاء وتنقيح مخططات الأسلاك.
في العام الماضي، نشر الباحثون الشبكة العصبية لما أطلقوا عليه اسم "الدماغ النصفي"، وهو جزء كبير من دماغ الذبابة المركزية، والذي يتضمن مناطق بنى ضرورية للنوم والتعلم والتنقل.
يشتمل الجهاز العصبي الذي يمكن الوصول إليه مجانًا عبر الإنترنت على حوالي 25000 خلية عصبية و 20 مليون نقطة تشابك عصبية، وهو عدد أكبر بكثير من الشبكات العصبية في الدودة المستديرة C. elegans
قالت كوري بارجمان عالمة الأعصاب في جامعة روكفلر في نيويورك: "إنها زيادة هائلة". "هذه خطوة هائلة نحو هدف العمل على اتصال الدماغ."
وبعد أن تصبح الشبكة العصبية للدماغ جاهزة يحرص الدكتور جيارامان الخبير في علم الأعصاب للملاحة بالذبابة على تتبع البيانات الموجودة في المجمع المركزي.
تساعد منطقة الدماغ - التي تحتوي على ما يقرب من 3000 خلية عصبية وموجودة في جميع الحشرات - الذباب على بناء نموذج داخلي لعلاقتهم المكانية بالعالم ثم اختيار وتنفيذ السلوكيات المناسبة لظروفهم، مثل البحث عن الطعام عندما يكونون جائعين.
قال الدكتور جيارامان "أنت تخبرني أنه يمكنك إعطائي مخطط بياني لشبكة أسلاك كهذه، هذا تجسس صناعي أفضل مما يمكن أن تحصل عليه من تفحص هاتف ايفون متطور".
قام هو وزملاؤه بالتمعن في بيانات الشبكة العصبية ودرسوا كيفية تجميع الدوائر العصبية للمنطقة معًا.
على سبيل المثال قامت هانا هابركرن زميلة ما بعد الدكتوراه في مختبر الدكتور جايارامان بتحليل الخلايا العصبية التي ترسل المعلومات الحسية إلى الجسم الإهليلجي وهي بنية على شكل كعكة دائرية تعمل كبوصلة داخلية للذبابة.
وجد الدكتور هابركرن أن الخلايا العصبية المعروفة بنقل معلومات حول استقطاب الضوء - وهو دليل بيئي عالمي تستخدمه العديد من الحيوانات للتنقل - تقوم بعمل اتصالات مع الخلايا العصبية في البوصلة أكثر من الخلايا العصبية التي تنقل المعلومات حول السمات والمعالم المرئية الأخرى.
تتصل الخلايا العصبية المخصصة لاستقطاب الضوء أيضًا بخلايا الدماغ التي توفر معلومات حول الإشارات الملاحية الأخرى.
يفترض الباحثون أن أدمغة الذباب قد تكون مسلكة بطريقة معينة لتحديد أولويات المعلومات حول البيئة العالمية أثناء التنقل ولكن أيضًا أن هذه الدوائر مرنة بحيث عندما تكون هذه المعلومات غير كافية يمكنهم إيلاء المزيد من الاهتمام للسمات المحلية للمناظر الطبيعية. قال الدكتور هابركرن: "لديهم كل هذه الاستراتيجيات الاحتياطية".
حدد أعضاء آخرون في فريق البحث مسارات عصبية معينة تبدو مناسبة تمامًا لمساعدة الذبابة على تتبع اتجاه رأسها وجسمها، وتوقع اتجاهها المستقبلي واتجاه السفر، وحساب اتجاهها الحالي بالنسبة إلى موقع آخر مرغوب فيه، ثم التحرك في هذا الاتجاه.
تخيل على سبيل المثال أن ذبابة جائعة تخلت مؤقتًا عن موزة متعفنة لترى ما إذا كان بإمكانها ايجاد شيء أفضل. ولكن بعد دقائق قليلة من الاستكشاف غير المثمرة (حرفيًا) تريد العودة إلى وجبتها السابقة.
تشير بيانات الشبكة العصبية إلى أن بعض خلايا الدماغ المعروفة تقنيًا باسم الخلايا العصبية PFL3، تساعد الذبابة على بالقيام بهذه المناورة. تتلقى هذه الخلايا العصبية مدخلين مهمين: فهي تحصل على إشارات من الخلايا العصبية التي تتبع الاتجاه الذي تواجهه الذبابة وكذلك من الخلايا العصبية التي تتبع اتجاه الموز.
بعد تلقي هذه الإشارات، ترسل الخلايا العصبية PFL3 بعد ذلك رسالتها الخاصة إلى مجموعة من الخلايا العصبية التي تحفز الذبابة على الانحراف في الاتجاه الصحيح. ستجد العشاء مرة أخرى.
قال براد هولس عالم الأبحاث في مختبر الدكتور جايارامان الذي قاد هذا الجزء من التحليل: "إن القدرة على تتبع هذا النشاط من خلال تلك الدائرة - من الحسية إلى الحركة عبر هذه الدائرة الوسيطة المعقدة - أمر مذهل حقًا". وأضاف أن مجال الشبكة العصبية "أظهر لنا أكثر بكثير مما كنا نظن أنه سيحدث".
وورقة المجموعة البحثية - التي تضم مسودتها 75 شكلاً وتمتد إلى 360 صفحة - هي مجرد البداية في هذا المجال.
قال ستانلي هاينز الخبير في علم أعصاب الحشرات في جامعة لوند في السويد: "إنها تقدم حقًا هذه الحقيقة الأساسية لاستكشاف منطقة دماغ الذباب بشكل أكبر، إنه أمر مثير للإعجاب للغاية."
قال الدكتور هاينز: "لن أتعامل معها على أنها ورقة بحثية بل ككتاب".
الذباب ليس كالفئران او الشمبانزي او البشر، لكن أدمغتهم تؤدي بعض المهام الأساسية نفسها. قال ديفيد فان إيسن عالم الأعصاب بجامعة واشنطن في سانت لويس إن فهم الدوائر العصبية الأساسية في حشرة ما يمكن أن يوفر أدلة مهمة لكيفية تعامل أدمغة الحيوانات الأخرى مع مشاكل مماثلة.
وقال إن اكتساب فهم عميق لدماغ الذبابة "يمنحنا أيضًا رؤى وثيقة الصلة بفهم الثدييات، وحتى البشرية والأدمغة والسلوك".
سيكون إنشاء شبكات لأدمغة أكبر وأكثر تعقيدًا أمرًا صعبًا للغاية. يحتوي دماغ الفأر على ما يقرب من 70 مليون خلية عصبية، بينما يحتوي دماغ الإنسان على 86 مليار خلية.
لكن الورقة المركزية المعقدة بالتأكيد ليست وحيدة؛ قال الدكتور ريد إن الدراسات التفصيلية للفئران الإقليمية والشبكات العصبية البشرية قيد الإعداد حاليًا: "هناك الكثير في المستقبل".