توصلت الشبكات العصبية إلى إجماع

يحتوي كل ملليمتر مكعب من الدماغ على أكثر من 100,000 خلية عصبية، كل منها قادرة على التواصل مع 10,000-1,000 خلية أخرى. يُظهر بحث جديد كيف يعمل هذا التواصل عندما لا تكون كل خلية مخصصة لنفسها

من الممكن أن تعمل الشبكات العصبية في أدمغتنا بشكل ديمقراطي؛ أي أن سلوك الشبكة ككل يتشكل من خلال السلوك الجماعي "لمواطنيها". في تجربة فريدة من نوعها، حيث تمت زراعة "شركة" صغيرة من الخلايا العصبية في طبق مختبري، اكتشف علماء معهد وايزمان للعلوم أن كل خلية عصبية، عندما تكون بمفردها، تعمل بسرعتها الخاصة. ومع ذلك، عندما تتطلب الظروف أن تعمل الخلايا العصبية معًا، فإن إيقاعاتها تتجمع معًا وتصبح إشارة منسقة.

ويقول: "أحد الأسئلة التي لم يتم حلها فيما يتعلق بشبكات الدماغ هو كيفية التحكم في نشاطها". البروفيسور مناحيم سيجال من قسم علم الأعصاب في المعهد. "افترض الكثيرون وجود "خلايا قيادية" تحفز الآخرين، لكن لم يتم ملاحظة مثل هذه الخلايا أثناء عملها". البروفيسور سيغال وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور يارون بان مع الفيزيائي البروفيسور إليشع موزس، من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة، قام بدراسة هذا السؤال في شبكة عصبية اصطناعية طورها أعضاء مجموعة بحث البروفيسور موزس.

الشبكة العصبية التجريبية التي قاموا بإنشائها هي نموذج مبسط وعملي لشبكة الدماغ. ويحتوي على عدد صغير من الخلايا العصبية من أجنة الفئران، والتي تم نموها معًا في ظل ظروف معملية تسمح للخلايا العصبية بالتواصل مع بعضها البعض. وبهذه الطريقة، يستطيع العلماء ملاحظة نشاط الخلايا العصبية من مسافة قصيرة، كأفراد وكمجموعة، لفترات طويلة من الزمن.

وكجزء من التجربة، قام الباحثون بتغيير مستويات الأيونات المختلفة في بيئة الخلايا العصبية. منعت هذه الأيونات أو زادت الاتصال بالشبكة. يقول الدكتور بن: "كانت المفاجأة الأولى هي أن معظم الخلايا العصبية كانت نشطة وأرسلت إشارات كهربائية حتى عندما تم فصلها عن الشبكة. وقد اتخذ هذا النشاط شكل تذبذبات - قمم وقيعان دورية - وتأرجحت كل خلية عصبية بمعدلها الخاص."

وكانت المفاجأة الثانية أنه عندما كانت الظروف مناسبة لنشاط الشبكة، كانت الإشارات التي نشأت متذبذبة أيضا، وكانت ترددات هذه التذبذبات قريبة من متوسط ​​الخلايا العصبية الفردية. يشير هذا إلى نمط من النشاط تصبح فيه الخلايا العصبية الفردية متصلة بشكل متزايد، بحيث تطابق تردداتها مع ترددات جيرانها، حتى يتم تنظيم النمط بطريقة منسقة. يقول البروفيسور موزس: "إن النمط الذي نراه في التجارب يتوافق مع النماذج النظرية التي تكون فيها الخلايا العصبية في حالة تنشأ فيها الإشارة بشكل ديمقراطي، نتيجة للاتصال بينها".

ويقول البروفيسور موسى أن العديد من الأجهزة في الطبيعة، بالإضافة إلى الجهاز العصبي، تنطوي على التذبذبات والتنسيق. "إن سحابة من اليراعات التي تومض في انسجام تام، أو الجمهور في حفل موسيقي يصفق في انسجام تام، هي أمثلة على نظام جماعي ومنسق ومتقلب. نعتقد أن التذبذب هو الحالة الافتراضية للعديد من الخلايا العصبية؛ يمكن أن تساعدنا هذه الرؤية في فهم كيفية تشكيل شبكاتهم."

كيف تنظم الخلايا العصبية نشاط شبكتها؟ العامل الرئيسي في الإجابة على هذا السؤال هو أيونات الكالسيوم. واكتشف العلماء أن إزالة الكالسيوم من بيئة الخلية يزيد من حساسية الخلية، في حين أن إضافة الكالسيوم يقلل من حساسيتها، ولكنه يزيد من الاتصال بين الخلايا. يقول البروفيسور موزس: "لقد تمكنا من التحكم في هذين العاملين - الحساسية والاتصال - وبهذه الطريقة حصلنا على نتائج مرتبة".

وهكذا، ومن خلال معالجة الشبكة العصبية التجريبية، وجد العلماء آليتين مختلفتين مسؤولتين عن خصائص النشاط في الشبكة. إحداها كان المتوسط ​​الجماعي، الذي يتميز بتذبذب مشترك بطيء، يستمر لعدة ثوان ويحدث بالفعل في ظل ظروف انخفاض الاتصال. يصف العلماء الثانية بأنها "صرخة": ذروة حادة يكون فيها النشاط الكهربائي لجميع الخلايا العصبية متزامنًا بشكل كبير (في حوالي جزء من مائة من الثانية). الصراخ أو الموجة البطيئة - كلاهما نتاج آليات الارتباط بين الخلايا العصبية، التي نضجت لتشكل شبكة وتطابق ترددات تذبذباتها مع بعضها البعض. وهكذا، بدلًا من شبكة هرمية تعمل فيها كل خلية عصبية وفقًا لأمر ما، قد يتم إجراء نشاط الشبكة للدماغ الفعلي مثل ديمقراطية ماديسون النقية: جهد جماعي بلا قيادة تلعب فيه كل خلية عصبية دورًا، وتتأثر بالتأثير. نشاط جماعي.

يقول البروفيسور سيجال: "إن النظام التجريبي الذي طورناه والنتيجة التي حصل عليها الدكتور بن هما نتاج تعاون فريد بين عالم أعصاب وعالم فيزياء، والأفكار التي طرحناها يمكن أن تقودنا في العديد من الاتجاهات الجديدة. على سبيل المثال، يمكننا أن نسأل كيف تبدأ الخلايا العصبية الجنينية في تكوين شبكات، أو ما هي الظروف في الدماغ التي تحفز نشاط شبكة محدد. ومن ناحية أخرى، نحن نعلم أن أمراض مثل الصرع تنطوي على خلل في التوازن بين الحساسية والاتصال، ويمكن لهذا النظام أن يؤدي إلى طرق جديدة للتحقيق في الأخطاء التي حدثت".