العصر الجديد للعقل / رافائيل يوست وجورج إم تشيرش

تمهد مشاريع "العلم الكبير" الطريق لفهم كيف تنتج الآلة الأكثر تعقيدًا في العالم أفكارنا ومشاعرنا

وحتى بعد مائة عام من البحث المستمر، لا يزال علماء الأعصاب لا يفهمون آليات عمل العضو الذي يعتبر مركز الوعي البشري ويزن حوالي 1.4 كيلوغرام. لقد حاول الكثيرون مهاجمة المشكلة من خلال دراسة الجهاز العصبي للمخلوقات الأبسط. في الواقع، لقد مر ما يقرب من 30 عامًا منذ اليوم الذي رسم فيه الباحثون خريطة للروابط بين جميع الخلايا العصبية الـ 302 للدودة المستديرة Caenorhabditis ايليجانس. ومع ذلك، فإن مخطط الأسلاك الخاص بالدودة لم يساعد في فهم كيفية إنتاج الروابط العصبية لأنماط السلوك الأساسية مثل الأكل والجنس. كان هناك نقص في البيانات التي تربط بين نشاط الخلايا العصبية وسلوك معين.

وفي البشر، يكون من الأصعب ربط علم الأحياء بالسلوك. تنشر وسائل الإعلام بشكل روتيني تقارير عن عمليات المسح التي تظهر أن مناطق معينة من الدماغ يتم تنشيطها عندما نشعر بالرفض أو نتحدث بلغة أجنبية. تخلق هذه المقالات انطباعًا بأن التكنولوجيا المتاحة اليوم توفر رؤى أساسية حول عمل الدماغ، لكن هذا الانطباع خاطئ.

ومن الأمثلة البارزة على هذا الانطباع الخاطئ دراسة حظيت بتغطية إعلامية كبيرة حددت خلايا دماغية مفردة تطلق إشارات كهربائية استجابة لوجه الممثلة جينيفر أنيستون. ورغم الضجيج الإعلامي، فإن العثور على "خلية جينيفر أنيستون العصبية" يشبه تلقي رسالة من كائنات فضائية، وهو مؤشر على وجود حياة ذكية في الكون ولكن دون القدرة على فهم معنى الرسالة. نحن بعيدون عن فهم كيفية تأثير الإشارات الكهربائية التي تنتجها تلك الخلية على قدرتنا على التعرف على وجه جنيفر أنيستون ونسبته إلى مقطع من البرنامج التلفزيوني "الأصدقاء". ولكي يتعرف الدماغ على النجم، من الواضح أنه يحتاج إلى تنشيط مجموعة كبيرة من الخلايا العصبية، وكلها تتكلم شفرة عصبية ما زلنا لا نفهمها.

توضح الخلية العصبية لجنيفر أنيستون أيضًا تقاطع الطرق التي وصل إليها علم البيولوجيا العصبية. لدينا بالفعل طرق لتسجيل النشاط الكهربائي للخلايا العصبية المفردة في البشر الأحياء. ولكن من أجل تحقيق تقدم حقيقي، هناك حاجة إلى سلسلة جديدة من التقنيات في هذا المجال، والتي ستسمح للباحثين بمراقبة النشاط الكهربائي لآلاف أو حتى ملايين الخلايا العصبية، وكذلك تغييره بطريقة متعمدة. ستسمح لنا مثل هذه الأساليب بشق طريقنا عبر ما أسماه الباحث الإسباني سانتياغو رامون إي كاهال، الرائد في مجال التشريح العصبي، "الغابة غير القابلة للعبور التي ضل فيها العديد من الباحثين".

يمكن لمثل هذه الأساليب الرائدة، من حيث المبدأ، أن تبدأ في سد الفجوة بين نشاط الخلايا العصبية والوعي: الاستشعار، والعاطفة، واتخاذ القرار، وفي نهاية المطاف الوعي نفسه. إن فك رموز الأنماط الدقيقة لنشاط الدماغ التي تكمن وراء التفكير والسلوك سيوفر أيضًا رؤى أساسية حول ما يحدث عندما تتعطل الدوائر العصبية في الأمراض النفسية أو العصبية مثل الفصام، والتوحد، ومرض الزهايمر، ومرض باركنسون.

إن الحاجة إلى قفزة تكنولوجية في أبحاث الدماغ محسوسة أيضًا خارج المختبر. في الواقع، أعلنت إدارة أوباما في عام 2013 أنها بصدد إنشاء مبادرة واسعة النطاق، المعروفة باسم BRAIN، لتعزيز الأساليب المتقدمة في علم الأحياء العصبي. إنه أكبر مشروع علمي تم الترويج له خلال فترة الولاية الثانية للرئيس.

مشروع مخ، التي تلقت تمويلًا أوليًا بقيمة 100 مليون دولار في عام 2014، تركز على تطوير طرق لتسجيل الإشارات الكهربائية من عدد أكبر بكثير من خلايا الدماغ، وحتى من مناطق الدماغ بأكملها. مشروع مخ يكمل المشاريع الكبرى الأخرى في مجال علم الأحياء العصبي خارج الولايات المتحدة. ومن المقرر أن يستمر مشروع الدماغ البشري (HBP) الممول من الاتحاد الأوروبي لمدة 10 سنوات بتكلفة 1.6 مليار دولار ويهدف إلى تطوير محاكاة حاسوبية للدماغ بأكمله. كما تم إطلاق مشاريع طموحة في مجال البيولوجيا العصبية في الصين واليابان وإسرائيل. إن الإجماع الدولي على ضرورة الاستثمار في علم الأعصاب يذكرنا بالمبادرات الأخرى التي ركزت على مجالات العلوم والتكنولوجيا ذات الأهمية الوطنية بعد الحرب العالمية الثانية: الطاقة النووية، والأسلحة الذرية، واستكشاف الفضاء، وأجهزة الكمبيوتر، ومصادر الطاقة البديلة، وفك رموز الطاقة النووية. تسلسل الجينوم البشري. والآن بدأ عصر العقل.

مشكلة شاشة التلفاز

من المستحيل اليوم تتبع كيفية معالجة خلايا الدماغ لمفهوم "جينيفر أنيستون"، أو أي مفهوم مشابه نواجهه خلال تجربتنا الذاتية أو إدراكنا للعالم الخارجي. ومن أجل القيام بذلك، من الضروري الانتقال من قياس خلية عصبية واحدة إلى فهم الروابط المعقدة بين مجموعات من هذه الخلايا، وهي الروابط التي تنتج كلًا أكبر من مجموع أجزائه، وهو ما يسميه العلماء بالخاصية الناشئة. خصائص مثل درجة الحرارة، ودرجة صلابة مادة معينة أو الحالة المغناطيسية للمعدن، على سبيل المثال، تظهر فقط بعد تكوين الروابط بين كتل الجزيئات أو الذرات. خذ ذرات الكربون على سبيل المثال. يمكن لكل ذرة أن تشكل روابط كيميائية مختلفة تعطي المادة صلابة الماس أو نعومة الجرافيت، الذي يتقشر بسهولة بحيث يمكن أن يشكل كلمات على الورق. وسواء أكان الأمر يتعلق بالصلابة أو الليونة، فإن هذه الخصائص الناشئة لا تعتمد على ذرة واحدة، بل على سلسلة من التفاعلات بين الذرات.

ومن الواضح أن للدماغ أيضًا خصائص ناشئة لا يمكن فهمها على الإطلاق من خلال النظر إلى خلية عصبية واحدة أو حتى عن طريق صورة منخفضة الدقة لنشاط مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية. ولا يمكن التمييز بين إدراك مفهوم "الزهرة" واستعادة ذاكرة الطفولة إلا من خلال مراقبة نشاط الدوائر العصبية التي تنقل الإشارات الكهربائية على طول سلسلة معقدة من مئات أو آلاف الخلايا العصبية. وعلى الرغم من أن علماء الأعصاب كانوا على دراية بهذه التحديات لسنوات عديدة، إلا أنهم ما زالوا لا يملكون الأدوات اللازمة لتسجيل النشاط الكهربائي للدوائر العصبية في الدماغ التي تكمن وراء الإدراك أو الذاكرة أو التي تؤدي إلى سلوك معقد ونشاط معرفي.

تتضمن إحدى المحاولات للتغلب على هذه المشكلة إنشاء خريطة للوصلات التشريحية، أو المشابك العصبية، بين الخلايا العصبية، وهو مجال أُطلق عليه اسم علم الاتصال. إن مشروع الكونكتوم البشري (على وزن مشروع الجينوم البشري)، والذي تم إطلاقه مؤخراً في الولايات المتحدة، سوف يوفر مخطط التوصيلات البنيوية للدماغ. ولكن مثل الدودة المستديرة، هذه الخريطة هي مجرد نقطة البداية. ولن يتمكن وحده من تسجيل الإشارات الكهربائية المتغيرة بشكل متكرر والتي تنتج عمليات معرفية معينة.

ومن أجل تسجيل هذه الإشارات الكهربائية، هناك حاجة إلى طرق جديدة تمامًا لقياس النشاط الكهربائي في الدماغ. هذه طرق غير موجودة في التكنولوجيا الحالية، والتي يمكن أن توفر صورة دقيقة للنشاط الكهربائي لمجموعات صغيرة من الخلايا العصبية، أو تصوير شامل لمناطق واسعة من الدماغ ولكن دون الدقة المطلوبة لتحديد تنشيط أو إسكات الخلايا العصبية المعينة. الدوائر. يتم الآن إجراء تسجيلات كهربائية عالية الدقة عن طريق إدخال قطب كهربائي يشبه الإبرة في دماغ حيوانات المختبر لمراقبة معدل إطلاق خلية عصبية واحدة، أي النشاط الكهربائي الذي يحدث بعد أن تتلقى الخلية إشارات كيميائية من خلايا عصبية أخرى. عندما تتلقى الخلية العصبية تحفيزًا كافيًا، ينعكس انخفاض الجهد في غشاء الخلية. يؤدي تغير الجهد إلى دخول القنوات الموجودة في غشاء الخلية لأيونات الصوديوم أو أيونات أخرى موجبة الشحنة إلى الخلية. ويسبب تيار الأيونات إشارة كهربائية تتحرك على طول الامتداد الطويل للخلية، والمعروفة باسم المحور العصبي، ويجعلها تنقل الإشارات الكيميائية إلى الخلايا العصبية الأخرى وبالتالي تستمر في نشر الإشارة. إن تسجيل نشاط خلية عصبية واحدة فقط يشبه المحاولة المستحيلة لمتابعة حبكة فيلم عالي الدقة من خلال تتبع بكسل واحد. وهي أيضًا طريقة غازية يمكن أن تسبب تلف الأنسجة.

وعلى الطرف الآخر من الطيف، فإن الأساليب التي تراقب النشاط المشترك للخلايا العصبية في الدماغ بأكمله غير كافية أيضًا. في مخطط كهربية الدماغ (EEG) الشهير، الذي ابتكره هانز بيرجر في عشرينيات القرن الماضي، تقيس الأقطاب الكهربائية الموضوعة على فروة الرأس النشاط الكهربائي الجماعي لأكثر من 20 ألف خلية عصبية تقع تحتها. ولذلك يقيس مخطط كهربية الدماغ "موجات" النشاط الكهربائي الصاعدة والهابطة في أطر زمنية بالمللي ثانية، لكنه لا يستطيع التمييز بين النشاط الكهربائي لخلية عصبية واحدة. التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، الذي ينتج بقعًا ملونة تضيء المناطق النشطة في الدماغ، يسجل النشاط العصبي في الدماغ بأكمله بشكل غير جراحي، ولكن ببطء وبدقة مكانية منخفضة. علاوة على ذلك، فإن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لا يراقب النشاط الكهربائي بشكل مباشر، بل يراقب التغيرات الثانوية في تدفق الدم في وحدة حجم معينة.

للحصول على معلومات حول الأنماط الناشئة في نشاط الدماغ، يحتاج الباحثون إلى طرق جديدة يمكنها تسجيل النشاط الكهربائي من مجموعات مكونة من آلاف الخلايا العصبية. إن مجال تكنولوجيا النانو، الذي يجلب معه مواد جديدة قادرة على قياس أبعاد أصغر من جزيء واحد في حالات معينة، يمكن أن يساعد في تطوير طرق متعددة لتسجيل الخلايا. يوجد اليوم بالفعل نماذج أولية لمصفوفات تحتوي على أكثر من 100,000 قطب كهربائي على السيليكون. وستكون هذه المصفوفات قادرة على تسجيل النشاط الكهربائي لعشرات الآلاف من الخلايا العصبية في شبكية العين. إن التطوير المستمر للتكنولوجيا سيجعل من الممكن تكديس المصفوفات في هيكل ثلاثي الأبعاد، وتقليل عدد الأقطاب الكهربائية لتجنب تلف الأنسجة وتمديدها للتعمق في القشرة الدماغية، وهي الطبقة الخارجية للدماغ. مخ. إن مثل هذه التطورات ستمكن من تسجيل النشاط الكهربائي لعشرات الآلاف من الخلايا العصبية لدى البشر المرضى بطريقة تجعل من الممكن تمييز الخصائص الكهربائية لكل خلية.

الأقطاب الكهربائية ليست الطريقة الوحيدة لمراقبة النشاط العصبي. اليوم هناك بالفعل طرق أخرى إلى جانب أجهزة الاستشعار الكهربائية. بدأ علماء الأحياء، الذين يستعينون بمعلوماتهم من الأساليب التي طورها الفيزيائيون والكيميائيون وعلماء الوراثة، في تطوير أساليب تصوير تتبع الخلايا العصبية الحية في الحيوانات المستيقظة وهي تتصرف كما تفعل عادة.

تم تلقي تلميح لما سيأتي في عام 2013، عندما استخدمت ميشا أرينز من مجمع أبحاث جينيليا فارم التابع لمركز هوارد هيوز الطبي في أشبورن بولاية فيرجينيا، أجنة سمك الزرد لتصوير الدماغ بالكامل. يعد سمك الزرد أحد المخلوقات المفضلة لدى علماء الأحياء العصبية، لأنه في المراحل الجنينية يكون شفافًا، بحيث يمكنك بسهولة رؤية أعضائه الداخلية، بما في ذلك الدماغ. في التجربة، تم هندسة الخلايا العصبية لسمكة الزرد وراثيا بحيث تتوهج عندما تدخل أيونات الكالسيوم إلى الخلية بعد إطلاقها كهربائيا. قام نوع جديد من المجهر بإضاءة أدمغة سمك الزرد من خلال تسليط شريحة من الضوء على العضو بأكمله بينما صورت الكاميرا الخلايا العصبية وهي تنشط كل ثانية بثانية.

الطريقة، المعروفة باسم تصوير الكالسيوم، والتي طورها أحدنا (يوست) لتسجيل النشاط الكهربائي للدوائر العصبية، تسمح بتسجيل نشاط 80% من 100,000 ألف خلية عصبية لسمكة الزرد. اتضح أنه عندما كانت الأسماك تستريح، تم تنشيط العديد من مناطق الجهاز العصبي الجنيني وإسكاتها بأنماط غامضة. منذ أن اخترع بيرغر مخطط كهربية الدماغ (EEG)، عرف الباحثون أن الجهاز العصبي، في الواقع، نشط دائمًا. تثير تجربة الزرد الأمل في أن تساعد طرق التصوير الأحدث في التغلب على أحد التحديات الرئيسية في علم الأحياء العصبي: معنى الإطلاق المستمر والعفوي لمجموعات كبيرة من الخلايا العصبية.

إن تجربة سمك الزرد هي مجرد البداية، لأن هناك حاجة إلى تقنيات أفضل لاكتشاف كيف يؤدي نشاط الدماغ إلى السلوك. ويجب تصميم أنواع جديدة من المجاهر لرؤية النشاط العصبي في ثلاثة أبعاد. وبالمثل، فإن تصوير تيارات الكالسيوم يكون بطيئًا جدًا بحيث لا يمكنه متابعة الإطلاق السريع للخلايا العصبية، كما أنه غير قادر على اكتشاف الإشارات المثبطة التي تثبط النشاط الكهربائي في الخلية.

ويحاول علماء الفسيولوجيا العصبية، الذين يعملون من نابلس إلى نابلس مع علماء الوراثة والفيزياء والكيميائيين، تحسين الأساليب البصرية بحيث بدلا من قياس تركيز الكالسيوم، سيتم تسجيل نشاط العصب مباشرة عن طريق قياس التغيرات في توتر غشاء الخلية. فمن الممكن، على سبيل المثال، هندسة الخلايا العصبية وراثيا بأصباغ تغير خصائصها البصرية كدالة للجهد لتحسين التصوير مقارنة بتلك التي يتم الحصول عليها عن طريق مراقبة تيارات الكالسيوم. هذه الطريقة، المعروفة باسم تصوير الجهد، قد تسمح للباحثين في النهاية بتسجيل النشاط الكهربائي لكل خلية عصبية في الدائرة العصبية بأكملها.

ومع ذلك، فإن محاكاة الإجهاد لا تزال في بداياتها. يحتاج الكيميائيون إلى زيادة قدرة المواد على تغيير اللون أو تغيير خصائص أخرى عندما تطلق الخلية العصبية إشارة كهربائية. ومن الضروري أيضًا التأكد من أن الأصباغ الكيميائية لا تلحق الضرر بالخلية العصبية. ومع ذلك، فإن علماء الأحياء الجزيئية يقومون بالفعل ببناء أجهزة استشعار للإجهاد مشفرة بالوسائل الوراثية. يشير هذا إلى الخلايا التي تقرأ تسلسلًا جينيًا يحتوي على شفرة بروتين يتوهج بضوء الفلورسنت وينطلق إلى الغشاء الخارجي للخلية. وبمجرد وصول البروتين إلى هناك، فإنه يغير مستوى سطوعه استجابة للتغيرات في جهد الخلية العصبية.

كما هو الحال مع الأقطاب الكهربائية، قد تكون المواد غير البيولوجية المتقدمة المستعارة من تكنولوجيا النانو مفيدة. بدلاً من الأصباغ العضوية أو العلامات الجينية، من الممكن إعداد نوع جديد من أجهزة استشعار الجهد التي سيتم تصنيعها من "النقاط الكمومية"، وهي جزيئات صغيرة من أشباه الموصلات لها تأثيرات ميكانيكية كمومية ولها خصائص بصرية، مثل اللون أو شدة الضوء. ، يمكن تصميمها بدقة. فالألماس النانوي، على سبيل المثال، وهو مادة جديدة جاءت من مجال البصريات الكمومية، حساس للتغيرات في المجالات الكهربائية التي تحدث عندما يكون هناك نشاط كهربائي في الخلية. ومن الممكن أيضًا دمج الجسيمات النانوية مع الأصباغ العضوية العادية أو الأصباغ المعدلة وراثيًا، لإنتاج هجينة جزيئية تكون فيها الجسيمات النانوية بمثابة "هوائي" وتضخيم الإشارات الضعيفة التي تنتجها الأصباغ الفلورية عند تنشيط الخلية العصبية.

فهم

هناك تحدٍ تقني آخر يجب التغلب عليه حتى نتمكن من رؤية النشاط العصبي، وهو صعوبة إرسال وجمع الإشارات الضوئية من الدوائر العصبية الموجودة عميقًا تحت سطح الدماغ. لحل هذه المشكلة، بدأ مطورو أساليب التكنولوجيا العصبية في التعاون مع الباحثين في مجال البصريات الحاسوبية، وهندسة المواد، والطب، والذين يحتاجون أيضًا إلى الرؤية من خلال الأجسام الصلبة بشكل غير جراحي، سواء كان الجلد أو الجمجمة أو شريحة الكمبيوتر. لقد عرف العلماء منذ زمن طويل أن جزء الضوء الذي يضرب عظمًا صلبًا يكون متناثرًا، وأنه من الممكن مبدئيًا استخدام الفوتونات المتناثرة لاكتشاف تفاصيل حول العظم.

على سبيل المثال، يشرق من خلاله ضوء المصباح الموجود على أحد جانبي الكف، ويخرج كوهج منتشر لا يقدم أي دليل على موقع العظام أو الأوعية الدموية تحت الجلد. لكن المعلومات المتعلقة بالمسار الذي ينتقل به الضوء عبر راحة اليد لا تُفقد تمامًا. تنتشر موجات الضوء غير المنتظمة ثم تتداخل مع بعضها البعض. من الممكن التقاط نمط الضوء هذا باستخدام الكاميرا وإعادة بناء الشكل الملتقط بها باستخدام طرق حسابية جديدة. في عام 2013، تم استخدام هذه الطريقة من قبل رافائيل بيستون وزملائه من جامعة كولورادو في بولدر للرؤية من خلال مادة معتمة. يمكن دمج هذه الطرق مع طرق بصرية أخرى، بما في ذلك الطرق التي يستخدمها علماء الفلك لتصحيح التشوهات التي تحدث في ضوء النجوم بسبب تأثير الغلاف الجوي. يمكن للبصريات الحاسوبية، كما يطلق عليها، أن تساعد في رؤية ضوء الفلورسنت المنبعث من الألوان كخلايا عصبية عميقة في نيران الدماغ.

وقد تم بالفعل استخدام بعض هذه الأساليب البصرية الجديدة بنجاح لتصوير الجزء الداخلي من أدمغة الحيوانات أو الأشخاص بعد إزالة قطعة من جمجمتهم، مما يسمح للعلماء برؤية عمق يزيد عن ملليمتر في القشرة الدماغية. لمزيد من التحسين، قد توفر هذه الأساليب وسيلة لرؤية من خلال الجمجمة نفسها. لن يتمكن التصوير البصري من خلال الأجسام من الاختراق لمسافة تسمح بتحديد الهياكل العميقة داخل الدماغ، لكن اختراعًا جديدًا آخر، يُعرف باسم التنظير المجهري، قد يحل هذه المشكلة. باستخدام هذه الطريقة، يقوم أخصائيو الأشعة العصبية بإدخال أنبوب رفيع ومرن في الشريان الفخذي، ثم ينقلونه إلى أجزاء مختلفة من الجسم، بما في ذلك الدماغ. ثم يستخدمون الألياف الضوئية المترابطة عبر الأنبوب لإجراء القياسات. وفي عام 2010، عرضت مجموعة من معهد كارولينسكا في ستوكهولم جهازًا جديدًا، يُعرف باسم الطارد، والذي يجعل من الممكن ثقب الشريان أو الوعاء الدموي الذي يتم من خلاله إدخال المنظار بشكل آمن. ومن خلال هذه الطريقة يمكن فحص أي منطقة في الدماغ، وليس الأوعية الدموية فقط، وذلك بمساعدة طرق التصوير المختلفة أو التسجيل الكهربائي.

تعتبر الإلكترونات والفوتونات مرشحة واضحة لتسجيل النشاط الكهربائي في الدماغ، لكنها ليست الوحيدة. يمكن لتكنولوجيا الحمض النووي أيضًا أن تلعب دورًا حاسمًا في المستقبل في مراقبة النشاط العصبي. أحدنا (الكنيسة) استوحى إلهامه من مجال البيولوجيا التركيبية، حيث يتم استخدام المواد البيولوجية كما لو كانت أجزاء آلة. مع تقدم الأبحاث، سيكون من الممكن هندسة حيوانات المختبر بحيث تقوم بتصنيع "شريط التلغراف الجزيئي"، وهذا يعني جزيء يتغير بطريقة فريدة ويمكن التعرف عليها عند تنشيط الخلية العصبية. وفقًا لأحد السيناريوهات، تم إنتاج هذا الغشاء الجزيئي بواسطة إنزيم يسمى بوليميريز الحمض النووي، وهو إنزيم يبني خيطًا طويلًا من الحمض النووي يرتبط بشريط آخر يحتوي على تسلسل موجود من النيوكليوتيدات ("الحروف" التي تمثل اللبنات الأساسية للحمض النووي ). إن تدفق أيونات الكالسيوم إلى الخلية، الناتج عن إطلاق الخلية العصبية، سوف يتسبب في قيام البوليميراز بإنتاج تسلسل مختلف من الحروف، أي يسبب "أخطاء" في التسلسل المتوقع للنيوكليوتيدات. وبعد ذلك، سيكون من الممكن تحديد تسلسل النيوكليوتيدات المزدوج الذي سيتم الحصول عليه من كل خلية عصبية في دماغ حيوان التجربة. إن الطريقة الجديدة المعروفة باسم تحديد التسلسل في الخلية بمساعدة الفلورسنت ستجعل من الممكن متابعة أنماط التغيير، أي الأخطاء التي تم الحصول عليها في الفيلم الجزيئي، والتي تشير إلى قوة أو توقيت كل إشارة في كل منها. العديد من الخلايا العصبية في قطعة معينة من الأنسجة. وفي عام 2012، أفاد باحثون من مختبر تشرش عن جدوى فكرة استخدام فيلم جزيئي مصنوع من الحمض النووي الذي يتغير مع تيارات أيونات المغنيسيوم والمنغنيز والكالسيوم.

في المستقبل، قد تسمح البيولوجيا التركيبية ببناء خلايا اصطناعية تعمل كحراس للقيام بدوريات في جسم الإنسان. ويمكن استخدام الخلية المعدلة وراثيا كقطب بيولوجي يبلغ قطره أصغر بكثير من عرض الشعرة، ويمكن وضعه بجوار خلية عصبية لمراقبة إطلاقها الكهربائي. وستكون دائرة نانومترية داخل الخلية، أو "الغبار الإلكتروني"، قادرة على تسجيل نمط الإطلاق ونقل البيانات عبر رابط لاسلكي إلى كمبيوتر قريب. هذه الأجهزة النانوية، وهي هجين بين الإلكترونيات والأجزاء البيولوجية، قد تتلقى الطاقة من جهاز إرسال الموجات فوق الصوتية الخارجي أو حتى من داخل الخلية نفسها، باستخدام الجلوكوز أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) أو جزيء آخر.

مفاتيح التشغيل والإيقاف

لفهم ما يحدث في الشبكة الواسعة من الدوائر العصبية في الدماغ، لا يمكن للباحثين أن يكتفوا بالتقاط الصور. إنهم بحاجة إلى تنشيط أو إلغاء تنشيط مجموعات مختارة من الخلايا العصبية حسب الرغبة لاختبار ما تفعله الخلايا. علم البصريات الوراثي، وهو الأسلوب الذي اعتمده علماء الأحياء العصبية على نطاق واسع في السنوات الأخيرة، ينطوي على استخدام الحيوانات التي تم هندستها وراثيا بحيث تنتج خلاياها العصبية بروتينات حساسة للضوء مشتقة من البكتيريا أو الطحالب. عندما تتعرض هذه البروتينات للضوء فإنها تنشط الخلايا العصبية أو تسكتها. استخدم الباحثون هذه الطريقة لتنشيط الدوائر العصبية المرتبطة بالمتعة، واستجابات المكافأة الأخرى، والحركات الضعيفة التي تميز مرضى باركنسون. حتى أنهم استخدموا علم البصريات الوراثي "لزرع" ذكريات كاذبة في الفئران.

تتطلب الحاجة إلى الهندسة الوراثية عمليات موافقة طويلة قبل أن يتم اختبار علم البصريات الوراثي أو استخدامه كعلاج للبشر. البديل الأكثر عملية لاستخدامات معينة هو الطريقة التي يتم فيها ربط جزيئات الموصلات العصبية (النواقل العصبية)، التي تنظم نشاط الخلايا العصبية، بجزيئات حساسة للضوء، تسمى "الأقفاص". وبمجرد تعرض القفص للضوء، فإنه ينهار، وتتفرق الناقلات العصبية وتنشط. في دراسة أجريت عام 2012، استخدم ستيفن روثمان من جامعة مينيسوتا، بالتعاون مع مختبر يوست، أقفاص الروثينيوم التي تحتوي على الناقل العصبي GABA الذي يثبط النشاط العصبي. وضع الباحثون هذه الأقفاص على القشرة الدماغية المكشوفة لجرذ تسبب في نوبات صرع باستخدام مواد كيميائية. أطلقت نبضة من الضوء الأزرق على الدماغ مادة GABA وخففت النوبات. تُستخدم الآن أساليب "كيميائية ضوئية" مماثلة لدراسة استخدام بعض الدوائر العصبية. مزيد من التطوير سيمكن من استخدام مثل هذه الأساليب لعلاج بعض الأمراض العصبية أو العقلية.

الطريق من البحوث الأساسية إلى التطبيقات السريرية لا يزال طويلا. إن أي أفكار جديدة لقياس النشاط العصبي ومعالجته على نطاق واسع سوف تحتاج إلى اختبارها أولاً على ذباب الفاكهة والديدان المستديرة والقوارض قبل أن تصل إلى البشر. قد يسمح الجهد المكثف للباحثين بتصور جزء كبير من 100,000 خلية عصبية في أدمغة ذباب الفاكهة والتحكم فيها بصريًا في غضون خمس سنوات تقريبًا. الأجهزة التي ستسجل وتنظم النشاط العصبي في دماغ الفأر المنبه لن تكون موجودة إلا بعد 10 سنوات. بعض الأساليب، مثل الأقطاب الكهربائية الرفيعة لإصلاح العيوب في الدوائر العصبية لدى المرضى الذين يعانون من الاكتئاب أو الصرع، قد تدخل حيز الاستخدام الطبي في السنوات القادمة، في حين أن البعض الآخر قد يتأخر عقدًا من الزمن أو أكثر.

ومع تطور الأساليب العصبية، سيحتاج الباحثون إلى تحسين الطريقة التي يديرون بها ويتشاركون الكميات الهائلة من البيانات التي يجمعونها. إن محاكاة نشاط جميع الخلايا العصبية في القشرة الدماغية للفأر ستنتج 300 تيرابايت من البيانات المضغوطة في غضون ساعة. ولكن هذه ليست مهمة لا يمكن التغلب عليها. فالمنشآت البحثية المتطورة، التي تعادل المراصد ومراكز أبحاث الجينوم، ومسرعات الجسيمات، قادرة على جمع ومعالجة ونشر مثل هذا الفيضان من المعلومات الرقمية. وكما أدى مشروع الجينوم البشري إلى ظهور مجال المعلوماتية الحيوية للتعامل مع المعلومات التي تم الحصول عليها من تسلسل الجينوم، فإن النظام الأكاديمي لعلم الأحياء العصبي الحسابي يمكنه فك آلية عمل الجهاز العصبي بأكمله.

وبالتالي فإن القدرة على تحليل بيتابايت من البيانات ستخلق النظام في تدفق المعلومات الجديدة. ولكن أكثر من ذلك، فإنه سيمهد الطريق أيضًا لنظريات جديدة تشرح كيفية ترجمة ضجيج إطلاق الإشارات العصبية إلى الإدراك والتعلم والذاكرة. وقد يؤدي تحليل المعلومات أيضًا إلى تأكيد أو دحض نظريات لم يكن من الممكن اختبارها من قبل. تفترض إحدى النظريات المثيرة للاهتمام أن العديد من الخلايا العصبية المشاركة في نشاط الدائرة العصبية تطور تسلسلات إطلاق محددة تسمى تسلسلات الزناد التي قد تمثل حالات الدماغ الناشئة: التفكير أو الذاكرة أو القرار. في إحدى الدراسات الحديثة، كان على الفأر أن يختار المنطقة التي سيعبرها داخل متاهة افتراضية معروضة على الشاشة. أدى فعل الاختيار إلى تنشيط العشرات من الخلايا العصبية وتسبب في تغيرات ديناميكية في النشاط العصبي مماثلة لتلك التي تحدث في تسلسل السحب.

إن الفهم الأفضل للدوائر العصبية يمكن أن يحسن تشخيص أمراض الدماغ بدءًا من مرض الزهايمر وحتى التوحد ويوفر فهمًا أعمق لأسباب هذه الأمراض. بدلاً من تشخيص مثل هذه الحالات وعلاجها بناءً على الأعراض فقط، سيتمكن الأطباء من البحث عن التغيرات المميزة في نشاط بعض الدوائر العصبية التي تكمن وراء كل مرض وعلاجها. كما أن المعرفة بجذور المرض من المحتمل أن تترجم إلى ربح اقتصادي للطب والتكنولوجيا الحيوية. وكما حدث مع مشروع الجينوم البشري، فلا بد من معالجة القضايا الأخلاقية والقانونية، خاصة إذا أدى البحث إلى أساليب يمكنها تمييز الحالات العقلية أو تغييرها. وتتطلب مثل هذه الأساليب اتخاذ تدابير أمنية صارمة لضمان موافقة المرضى المستنيرة والحفاظ على خصوصيتهم.

ومع ذلك، لكي تنجح المبادرات المختلفة في أبحاث الدماغ، يحتاج العلماء ومؤيدوهم إلى التركيز على هدف تصوير الدوائر العصبية وتنظيمها. نشأت فكرة مبادرة BRAIN البحثية من مقال في المجلة العلمية "Neuron" نُشر في يونيو 2012. في المقال، اقترحنا نحن وزملائنا تعاونًا طويل الأمد بين الفيزيائيين والكيميائيين وعلماء تكنولوجيا النانو وعلماء الأحياء الجزيئية وعلماء الأحياء العصبية من أجل التوصل إلى إنتاج "خريطة نشاط الدماغ" باستخدام طرق جديدة لقياس ومراقبة نشاط ترام الدوائر العصبية الكاملة في الدماغ.

نود أن نؤكد أنه بينما تتطور مبادرة BRAIN الطموحة، يجب الحفاظ على التركيز الأصلي على بناء أدوات بحثية جديدة. إن أبحاث الدماغ واسعة النطاق، ويمكن لمبادرة BRAIN أن تصبح بسهولة قائمة أمنيات تحاول تلبية الاهتمامات الواسعة النطاق للمجالات الفرعية المتعددة لعلم الأعصاب. ولذلك قد يكون مجرد إضافة هامشية للمشاريع القائمة التي يجري تنفيذها بالفعل في العديد من المختبرات، كل منها يعمل بشكل مستقل.

إذا حدث هذا، فسيكون التقدم عشوائيًا، وقد لا نتمكن أبدًا من التغلب على التحديات التقنية الكبرى. نحن بحاجة إلى التعاون بين مجالات البحث الأكاديمي. لن يكون بناء أجهزة لمحاكاة تغيرات الجهد في ملايين الخلايا العصبية مرة واحدة في مناطق كاملة من الدماغ ممكنًا إلا بعد جهود طويلة تبذلها مجموعة كبيرة ومتعددة التخصصات من الباحثين. في نهاية المطاف، سيتم توفير هذه التكنولوجيا في منشأة كبيرة تشبه المرصد والتي سيتم تقاسمها من قبل مجتمع البيولوجيا العصبية. نحن نلتزم بشدة بضرورة التركيز على تطوير أساليب جديدة لتسجيل الإشارات الكهربائية والتحكم فيها وفك تشفيرها والتي هي في الواقع لغة الدماغ. ونحن نعتقد أنه بدون هذه الأدوات الجديدة، لن يتقدم علم الأعصاب ولن يتمكن من تحديد الخصائص الناشئة للدماغ التي تكمن وراء مجموعة لا حصر لها من السلوكيات. إن تحسين القدرة على التعرف على لغة الإشارات الكهربائية والخلايا العصبية واستخدامها هو الطريقة الأكثر فعالية لتطوير نظرية شاملة لكيفية عمل الآلة الأكثر تعقيدًا في الطبيعة.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________

عن المؤلفين

رافائيل يوستي هو أستاذ العلوم البيولوجية وعلم الأحياء العصبي في جامعة كولومبيا والمدير المشارك لمعهد كافالي لعلم الأعصاب. حصل مؤخرًا على جائزة مدير المعاهد الوطنية للصحة للأبحاث الرائدة.

جورج إم تشيرش (الكنيسة) هو أستاذ علم الوراثة في جامعة هارفارد ومؤسس موقع Personalgenomics.org، وهو مصدر معلومات مفتوح للبيانات المتعلقة بالجينوم البشري، وتصوير الجهاز العصبي، والصفات السلوكية والمعرفية. وهو عضو في المجلس الاستشاري لمجلة ساينتفيك أمريكان.

باختصار

لا يزال العقل وكيفية إنتاجه للأفكار الواعية أحد أعظم أسرار العلم.

لفهم الدماغ بشكل أفضل، يحتاج علماء الأحياء العصبية إلى أدوات جديدة لتحليل كيفية عمل الدوائر العصبية.

يمكن لطرق تسجيل أو تنظيم النشاط الكهربائي للدوائر في الدماغ أن تلبي هذه الاحتياجات.

أطلقت إدارة أوباما مبادرة واسعة النطاق لتعزيز تطوير مثل هذه الأساليب.

المزيد عن هذا الموضوع

مشروع خريطة نشاط الدماغ وتحدي الوصلات الوظيفية. أ. بول أليفاساتوس وآخرون. في الخلايا العصبية، المجلد. 74، لا. 6، الصفحات 970-974؛ 21 يونيو 2012.

مبادرة الدماغ NIH. توماس ر. إنسل وآخرون. في علوم، المجلد. 340، صفحات 687-688؛ 10 مايو 2013.

تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل