أدوات العطف

إن الجهد المبذول لفك رموز الطريقة التي تتحدث بها الخلايا العصبية في الدماغ مع بعضها البعض يشبه تعلم لغة جديدة من خلال الاستماع فقط إلى محادثات المتحدثين باللغة. في البداية قد تبدو هذه مهمة مستحيلة بالنسبة لنا، ولكن مع مرور الوقت سنبدأ في التقاط وفهم الكلمات والعبارات الأساسية التي تكرر نفسها

يحاكي الدكتور إيلاد شنيدمان من قسم البيولوجيا العصبية في المعهد جهد فك الطريقة التي تتحدث بها الخلايا العصبية في الدماغ مع بعضها البعض لتعلم لغة جديدة من خلال الاستماع إلى محادثات المتحدثين باللغة فقط. في البداية قد تبدو هذه مهمة مستحيلة بالنسبة لنا، ولكن مع مرور الوقت سنبدأ في التقاط وفهم الكلمات والعبارات الأساسية التي تكرر نفسها. عندما نصل إلى موقف نفهم فيه بالفعل حوالي ألف أو ألفي كلمة، سيكون لدينا أيضًا فهم أولي لقواعد اللغة، وبالتالي سنكون قادرين على دمج كلمات جديدة في محادثاتنا.

معظم المعلومات التي لدينا عن التواصل العصبي في الدماغ تأتي من الدراسات التي تتناول "الحروف" و"الكلمات" التي تتكون منها - أي نشاط الخلايا العصبية الفردية، أو مجموعات صغيرة من الخلايا. يتم الحصول على هذه المعلومات من خلال تجارب يتم فيها قياس "إطلاق" الإشارات الكهربائية التي تطلقها خلايا عصبية مفردة، أو أزواج من الخلايا. تشبه هذه المحاولات إلى حد ما محاولة فهم كتاب من خلال قراءة عدد قليل من الكلمات منه. وفي رأي الدكتور شنيدمان، فإن المحادثات المثيرة للاهتمام حقًا تجري بين مجموعات أكبر من الخلايا العصبية. يحاول بحثه فك القواعد الأساسية للتواصل بين الخلايا العصبية وسلوكها الجماعي. ولتحقيق هذه الغاية، يلاحظ أنماط النشاط الكهربائي في شبكات مكونة من حوالي 100 خلية عصبية، ويحاول فهم العلاقات المتبادلة بينها.

يحاول عدد قليل جدًا من الباحثين دراسة هذه المجموعات الكبيرة من الخلايا بدقة. وتنبع الصعوبة أيضًا من حقيقة أن 100 خلية عصبية تمثل وفرة هائلة من أنماط النشاط المحتملة - في حدود 1030 نمطًا. ولذلك فإن أي محاولة لاستخراج معلومات مفيدة من مثل هذه الشبكة تبدو مهمة مستحيلة.

الدكتور شنيدمان، مع الطالب الباحث من مجموعته، إيلاد غانمور، والدكتور رونان سيغيف من جامعة بن غوريون، اقتربوا من هذا التحدي مزودين بمزيج من الأدوات التجريبية والنماذج الرياضية. بالنسبة للجزء التجريبي، أخذ العلماء قطعًا من شبكية العين من عيون السلمندر والأسماك آرتشر. وكانت كل قطعة من الأنسجة، يبلغ طولها وعرضها حوالي 100 مليمتر، تحتوي على مئات الخلايا العصبية، وتم تسجيل النشاط الكهربائي لـ XNUMX خلية منها لمدة ساعات. قام الباحثون بعرض أفلام طبيعية على هذه الأجزاء من شبكية العين، وقاموا بفحص الإشارات الكهربائية التي ترسلها الخلايا العصبية. يقول الدكتور شنايدمان: "إن النشاط الكهربائي للخلايا العصبية في شبكية العين هو في الواقع "المخرجات"، أي نتيجة "الحساب" الذي تجريه الشبكية على المدخلات البصرية، والتي يتم بعد ذلك إرسالها منها إلى الدماغ". . "توجد خلايا الشبكية وخلايا الدماغ في دائرة عصبية واحدة، والتواصل في الشبكية هو نفس الاتصال بين خلايا الدماغ. عندما تتعرض هذه الشبكة العصبية لمشاهد مختلفة، يمكننا رؤية أنماط فريدة من النشاط. ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أننا كنا قادرين على تمييز أنماط النشاط التي تخضع لـ "قواعد" فريدة من نوعها، والتي تظهر، على ما يبدو، فقط استجابة للمشاهد الطبيعية، ولكن ليس استجابة لمشاهد "الضوضاء البيضاء"، أو لإسقاط الضوء. شخصيات غير طبيعية".

وللكشف عن بعض القواعد الأساسية لنشاط الخلايا العصبية، استخدم العلماء نموذجًا رياضيًا مشابهًا لنموذج من مجال الفيزياء، تم تطويره لدراسة سلوك عدد كبير من المغناطيسات في المجالات المغناطيسية. يتم استخدام نموذج مماثل في الإحصاء ودراسة كيفية تعلم الآلات. في كل هذه المجالات، يتم إنشاء السلوك المعقد نتيجة للعلاقات المتبادلة بين زوج من العوامل: الجذب والتنافر في حالة المغناطيس، وحالات "التشغيل" و"الإيقاف" للمتغيرات الثنائية، والاشتعال الكهربائي وصمت الخلايا العصبية. وعندما أدخل العلماء البيانات التي تم جمعها في شبكات صغيرة في النموذج، تم الحصول على تطابق جيد بين النموذج والنتائج التجريبية. في الشبكات الأكبر حجمًا، تم الحصول على توافق جيد إلى حد ما، باستثناء بعض النقاط التي لم تتناسب مع النموذج. وبعد الفحص الدقيق، أدرك العلماء أن هذه النقاط تنتمي إلى أنماط النشاط الأكثر شيوعًا، والتي تقدم قواعد نحوية أكثر تعقيدًا. وبشكل أكثر دقة، فقد عبروا عن عدم التطابق بين الخلايا العصبية الذي لا يمكن تفسيره من خلال العلاقات بين أزواج الخلايا وحدها. ونتيجة لذلك، حدد النموذج الذي طوروه المجموعات النادرة جيدًا، لكنه كان أقل دقة بالنسبة للمجموعات الأكثر شيوعًا. وكما هو الحال مع الشخص الذي يتعلم لغة أجنبية، والذي يجب أن يتعلم قول "أريد أن آكل" قبل الشروع في طلب وجبة مكونة من أربعة أطباق، فقد أدرك الدكتور شنيدمان وزملاؤه أيضًا أن الفهم الكامل للغة الدماغ يتطلب التعامل مع التعبيرات "اليومية" أيضًا. ولذلك، كان التحدي الذي واجهوه هو العثور على نموذج واحد من شأنه أن "يغطي" كلا من الأنماط الشائعة والنادرة.

ولدهشتهم، اكتشف العلماء أن التغيير الذي يبدو ضئيلًا في طريقة تمثيل نشاط الخلايا في النموذج الرياضي يعطي طريقة بسيطة وفعالة لاستنتاج القواعد النحوية للتواصل بين الخلايا العصبية: بدلاً من وضع علامة على خلية عصبية هادئة بـ (1-) وآخر نشط بـ "1"، كما تم تمييزهما في النموذج المادي الأصلي، القطبين السالب والموجب للمغناطيس، استخدموا "0" و"1". وكان لهذا التغيير - الذي يبدو أنه حسابي بحت - تأثير كبير على ترتيب الأعضاء في الصيغة. لقد أدركوا أن هذا التغيير لن يحدث إلا في حالة واحدة معينة: وهي الحالة التي نادرًا ما تكون فيها الخلايا العصبية في الشبكة نشطة نسبيًا. هذا هو بالضبط الوضع في الدماغ: في معظم الأوقات، تكون معظم الخلايا العصبية في الدماغ غير نشطة. التغيير البسيط في النموذج جعل من الممكن ترجمة المجموعات المشتركة أيضًا، وبالتالي الكشف عن العلاقات المتبادلة الأساسية بين الخلايا العصبية. بالإضافة إلى ذلك، فإن فحص الاختلافات بين المجموعات المختلفة سمح للباحثين بتحديد قواعد مختلفة عن تلك التي تم التعبير عنها في الأنماط المشتركة.

في الواقع، من خلال شبكة معقدة من التفاعلات المحتملة بشكل لا يمكن تصوره، تمكن العلماء من الحصول على صورة دقيقة بشكل لا يصدق لطبيعة الاتصال في مجموعة كبيرة من الخلايا العصبية. يقول الدكتور شنايدمان: "لقد تمكنا من تجميع "كتاب قواعد" أساسي يعرض ملايين أنماط النشاط الكهربائي، والتي تم إنشاؤها من حوالي 500 مجموعة شائعة تعتمد على الروابط بين أزواج الخلايا العصبية وثلاثية ورباعية توائم". "يبدو أنه من الممكن تعلم قواعد لغة خلايا الدماغ، على افتراض أننا نعرف الأمثلة التي يجب اختيارها". ويرى أنه من الممكن تعلم لغة الخلايا العصبية لأنها منظمة إلى حد ما مثل اللغات الطبيعية التي نعرفها، والسبب هو أن أحد أجزاء الدماغ يحتاج إلى تعلم لغة جزء آخر. وهكذا، على سبيل المثال، من الممكن أن يكون التكرار المستمر للتركيبات المشتركة هو الطريقة التي تكتسب بها الخلايا العصبية قدراتها على الاتصال، وتستمر في فهم بعضها البعض.

وبعد الفهم الجديد لطبيعة التواصل بين الخلايا، تمكن الباحثون من فك رموز المعلومات البصرية الواردة من مجموعات كبيرة من خلايا الشبكية. ويرى الدكتور شنيدمان أنه مع النهج الجديد سيكون من الممكن، في المستقبل، الحصول على صورة مفصلة لنشاط مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية في أجزاء مختلفة من الدماغ، وحتى "قراءة" المعلومات المشفرة في هذه الشبكات . هذه القدرة قد تمهد الطريق لأساليب جديدة لعلاج المشاكل العصبية المختلفة.