الدماغ البشري معقد للغاية لدرجة أن العقول العلمية تواجه صعوبة في فهمها. قطعة من الأنسجة العصبية قد يكون حجم حبة الرمال معبأة بمئات الآلاف من الخلايا المرتبطة ببعضها على بعد أميال من الأسلاك. في عام 1979 ، خلص فرانسيس كريك ، العالم الحائز على جائزة نوبل ، إلى أن التشريح والنشاط في ملليمتر مكعب من المادة الدماغية سيتجاوز فهمنا إلى الأبد.
كتب الدكتور كريك: “لا فائدة من طلب المستحيل”.
بعد ستة وأربعين عامًا ، حقق فريق من أكثر من 100 عالم هذا المستحيل ، من خلال تسجيل النشاط الخلوي ورسم الخرائط للهيكل في ملليمتر مكعب من دماغ الماوس-أقل من واحد في المائة من حجمه الكامل. في إنجاز هذا العمل الفذ ، جمعوا 1.6 بيتابايت من البيانات-أي ما يعادل 22 عامًا من الفيديو العالي غير المحدد.
وقال ديفي بوك ، عالم الأعصاب بجامعة فيرمونت التي لم تشارك في الدراسة ، التي نُشرت يوم الأربعاء في مجلة مجلة الطبيعة: “هذا علامة فارقة”. قال الدكتور بوك إن التقدم الذي جعل من الممكن رسم ملليمتر مكعب من الدماغ بشكل جيد لهدف جديد: رسم خرائط لأسلاك الدماغ بأكمله من الماوس.
وقال “إنه أمر ممكن تمامًا ، وأعتقد أن الأمر يستحق القيام به”.
لقد مر أكثر من 130 عامًا منذ أن قام عالم الأعصاب الإسباني سانتياغو رامون ياجال بتجميع الخلايا العصبية الفردية لأول مرة تحت المجهر ، مما جعل الأشكال المتفرعة الخاصة بها. عملت الأجيال اللاحقة من العلماء على العديد من تفاصيل كيفية إرسال الخلايا العصبية إلى ارتفاع من الجهد في ذراع طويلة ، تسمى محور عصبي. كل محور عصبي يتلامس مع فروع صغيرة ، أو شجيري ، من الخلايا العصبية المجاورة. بعض الخلايا العصبية تثير جيرانها لإطلاق طفرات الجهد من تلقاء نفسها. بعض الخلايا العصبية الأخرى الهادئة.
الفكر الإنساني يخرج بطريقة ما من هذا المزيج من الإثارة والتثبيط. ولكن كيف حدث ذلك ظل لغزًا هائلاً ، إلى حد كبير لأن العلماء تمكنوا من دراسة عدد قليل من الخلايا العصبية في وقت واحد.
في العقود الأخيرة ، سمحت التطورات التكنولوجية للعلماء ببدء رسم خرائط العقول بالكامل. في عام 1986 ، نشر الباحثون البريطانيون دوائر دودة صغيرة تتكون من 302 خلية عصبية. في السنوات اللاحقة ، رسم الباحثون أدمغة أكبر ، مثل 140،000 خلية عصبية في دماغ الذبابة.
هل يمكن أن يكون حلم الدكتور كريك المستحيل ممكنًا؟ في عام 2016 ، بدأت الحكومة الأمريكية بذل جهد بقيمة 100 مليون دولار لمسح ملليمتر مكعب من دماغ الماوس. قاد المشروع – يسمى الذكاء الآلي من الشبكات القشرية ، أو الميكرون – علماء في معهد ألين لعلوم الدماغ وجامعة برينستون وكلية بايلور للطب.
قام الباحثون بتصوير جزء من دماغ الماوس الذي يتلقى إشارات من العيون ويعيد بناء ما يراه الحيوان. في المرحلة الأولى من البحث ، سجل الفريق نشاط الخلايا العصبية في تلك المنطقة حيث أظهر مقاطع فيديو للماوس من المناظر الطبيعية المختلفة.
ثم قام الباحثون بتشريح دماغ الماوس وأصيبوا ملليمتر مكعب بمواد كيميائية تصلب. ثم حلقوا 28000 شريحة من كتلة الأنسجة ، والتقاط صورة لكل واحدة. تم تدريب أجهزة الكمبيوتر على التعرف على الخطوط العريضة للخلايا في كل شريحة وربط الشرائح معًا بأشكال ثلاثية الأبعاد. أخيرًا ، قام الفريق برسم 200000 خلية عصبية وأنواع أخرى من خلايا الدماغ ، إلى جانب 523 مليون اتصال عصبي.
بالنسبة إلى Nuno Da Costa ، عالم الأحياء في معهد ألين وأحد قادة المشروع ، كانت مجرد مشاهدة الخلايا تتشكل على شاشة الكمبيوتر الخاصة به كانت لالتقاط الأنفاس. قال: “هذه الخلايا العصبية مذهلة للغاية – إنها تمنحني المتعة”.
لفهم كيفية عمل شبكة الخلايا العصبية هذه ، قام الدكتور دا كوستا وزملاؤه بتعيين النشاط الذي تم تسجيله عندما نظر الماوس إلى مقاطع الفيديو.
قال الدكتور دا كوستا: “تخيل أنك تأتي إلى حفلة تضم 80،000 شخص ، ويمكنك أن تكون على دراية بكل محادثة ، لكنك لا تعرف من يتحدث إلى من”. “والآن تخيل أن لديك طريقة لمعرفة من يتحدث مع من ، لكن ليس لديك أي فكرة عما يقولونه. إذا كان لديك هذين الأمرين ، فيمكنك سرد قصة أفضل حول ما يحدث في الحفلة.”
عند تحليل البيانات ، اكتشف الباحثون أنماطًا في أسلاك الدماغ التي نجت من الإشعار حتى الآن. حددوا أنواعًا مميزة من الخلايا العصبية المثبطة ، على سبيل المثال ، ترتبط فقط بأنواع معينة من الخلايا العصبية.
وقالت مارييلا بيتكوفا ، وهي عالم الفيزياء الحيوية في جامعة هارفارد التي لم تشارك في مشروع Microns: “عندما تذهب إلى دراسة الدماغ ، يبدو نوعًا من اليأس – هناك الكثير من الروابط والتعقيد الكثير من التعقيد”. وقالت: “العثور على قواعد الأسلاك هو فوز. الدماغ أقل فوضى بكثير مما اعتقد الناس”.
العديد من الباحثين في Microns يتخيلون الآن في مشروع أكبر: تعيين دماغ الماوس بأكمله. بحجم 500 ملليمتر مكعب ، سيستغرق الدماغ الكامل عقودًا أو قرونًا لرسمها مع الطرق الحالية. سيتعين على العلماء العثور على حيل إضافية من أجل إنهاء المشروع منذ عقد.
وقال غريغوري جيفريس ، عالم الأعصاب في جامعة كامبريدج لم يشارك في مشروع الميكرون: “ما كان عليهم فعله بالفعل للوصول إلى هنا هو بطولي”. “لكن لا يزال لدينا جبل للتسلق.”
فورست كولمان ، عضو في مشروع Microns في معهد ألين ، متفائل. اكتشف هو وزملاؤه مؤخرًا كيفية صنع أقسام رقيقة مجهرية من دماغ الماوس بأكمله. قال الدكتور كولمان: “بدأت بعض هذه الحواجز تتساقط”.
وأضاف أن دماغنا ، الذي يزيد عن ألف مرة أكبر من الماوس ، يمثل تحديًا أكبر بكثير. وقال: “يبدو الدماغ البشري الآن وكأنه خارج نطاق ما هو ممكن”. “لن نذهب إلى هناك في أي وقت قريب.”
لكن سيباستيان سونغ ، عالم الأعصاب في برينستون وعضو في مشروع Microns ، أشاروا إلى أن أدمغة الماوس والأدمغة البشرية متشابهة بما يكفي لدرجة أن الباحثين قد يجمعون أدلة يمكن أن تساعدهم في العثور على الأدوية لعلاج الاضطرابات النفسية بفعالية دون التسبب في آثار جانبية ضارة.
وقال الدكتور سونج: “إن أساليبنا الحالية في معالجة الجهاز العصبي هي أدوات حادة بشكل لا يصدق”. “لقد وضعت في دواء ، ويذهب في كل مكان” ، أضاف. “لكن القدرة على الوصول فعليًا إلى نوع الخلية والتلاعب بها – هذه الدقة.”
يتم دعم الجهود المبذولة لرسم خريطة لدماغ الفأر بأكمله من خلال التمويل من برنامج معاهد وطني طويلة الأمد يسمى مبادرة الدماغ. لكن مستقبل المسعى غير مؤكد. في العام الماضي ، خفض الكونغرس التمويل لمبادرة الدماغ بنسبة 40 في المائة ، وفي الشهر الماضي ، وقع الرئيس ترامب دعمًا لخفض فاتورة بنسبة 20 في المائة أخرى.
أشار الدكتور بوك إلى أن جهود تعيين الدماغ مثل الميكرونات تستغرق سنوات ، جزئياً لأنها تتطلب اختراع التقنيات والبرامج الجديدة على طول الطريق.
وقال الدكتور بوك: “نحتاج إلى اتساق وقابلية للتنبؤ بتمويل العلوم لتحقيق هذه الأهداف طويلة الأجل”.
اكتشاف المزيد من موقع علم
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
