يعمل الباحثون في التخنيون على زيادة تعاونهم لتوسيع البحث والتطوير في مجال الدماغ

يعمل المهندسون والعلماء في التخنيون على زيادة تعاونهم لتوسيع وتعميق البحث والتطوير في مجال الدماغ. مثال على ذلك تشكيل مجموعة من الباحثين من كليات عديدة ومتنوعة في التخنيون، بقيادة البروفيسور جاكي شيلر. كما نشر شيلر مؤخرًا مقالًا عن التشعبات، وهي مواقع الإدخال الرئيسية للخلية العصبية.

التشعبات - أشجار الدماغ

مقال للبروفيسور جاكي شيلر وطالبة الدكتوراه مايا ساندلر يلقي الضوء على بعض الأسئلة الأساسية المتعلقة بتأثير القشرة الدماغية، القشرة الدماغية، على الجوانب الوظيفية المختلفة مثل الانفعالات والتفكير والاضطرابات النفسية. في المقال المنشور في مجلة نيورون المرموقة، يتم فحص آليات مرونة الدماغ المتعلقة بالترقب والتغذية الراجعة والتعلم والذاكرة. ويقدر الباحثون أن النتائج التي توصل إليها قد تؤدي إلى تطوير أساليب جديدة لعلاج اضطرابات التعلم والذاكرة وحتى الاضطرابات السلوكية مثل مرض التوحد.

يتكون الدماغ من شبكة معقدة من الخلايا العصبية المترابطة. الخلية العصبية، وهي وحدة المعالجة الأساسية للشبكة العصبية، هي في حد ذاتها وحدة معالجة معقدة تستقبل العديد من البيانات من الخلايا العصبية الأخرى وتعالجها في مخرجات يتم نقلها إلى آلاف الخلايا العصبية الأخرى في الشبكة.

تتكون الخلية العصبية من عضيات: (1) جسم الخلية والنواة المسؤولة عن إنتاج البروتينات والحفاظ على الخلية بأكملها؛ (2) المحور العصبي، وهو امتداد متفرع يخرج من جسم الخلية وينقل المعلومات (المخرجات) إلى آلاف الخلايا العصبية الأخرى في الشبكة؛ (3) التشعبات، وهي مواقع الإدخال الرئيسية للخلية العصبية والتي تمكن الخلية من تلقي ومعالجة المعلومات من محاور آلاف الخلايا المجاورة؛ (4) المشابك العصبية هي نقطة الاتصال بين محور عصبي لخلية واحدة والتغصنات لخلية أخرى. جميع قنوات الاتصال هذه - المحاور والتشعبات والمشابك العصبية - ضرورية لوظيفة الدماغ لأنها تحدد قدراتنا الحركية والمعرفية وغيرها.

إن التشعبات، التي تشكل غالبية المادة الرمادية وتحتل معظم حجم القشرة، هي محور أبحاث البروفيسور شيلر في السنوات الأخيرة. وهي عبارة عن امتدادات تشبه الأشجار يبلغ طولها بضعة ملليمترات، مما يسمح للخلية بتلقي المعلومات من الخلايا العصبية الأخرى. في مقالات سابقة أوضحت البروفيسور شيلر أن التشعبات ليست هياكل بسيطة ولكنها آلات حسابية معقدة، وفي المقالة الحالية تعرض آلية المرونة الفريدة الخاصة بها. "أثناء التعلم، تغير هذه الآلية التغصنات والمشبك العصبي، وإذا فهمناها، فقد نكون قادرين على تحسين العمليات مثل امتصاص المعلومات. ونحن نركز الآن على فهم النشاط التغصني على المستوى الجزئي ولكن أيضًا على مستوى الشبكة، على أمل فهم الآليات الفسيولوجية المتعلقة بالصحة والمرض.

تعميق التعاون بين الباحثين من مختلف المجالات

يدرس البروفيسور يورام جوتفروند من كلية الطب في رابابورت الجهاز السمعي للتنفس واتجاهه في الفضاء. تقوم البروفيسور ميريام ساكسينهويس من كلية الهندسة الميكانيكية بتطوير تقنيات تشغيل الأدوات الإلكترونية بقوة الفكر. البروفيسور يتسحاق شيلر من كلية الطب يبتكر طرقًا مبتكرة لعلاج الصرع ومرض باركنسون. يقوم البروفيسور رون مئير من كلية الهندسة الكهربائية بأبحاث وتطوير الشبكات العصبية الاصطناعية، والتي تظهر أداء غير مسبوق في مجالات التعلم والتعرف على الأنماط.

هؤلاء الباحثون وكثيرون غيرهم من كليات مختلفة في التخنيون عززوا روابطهم في السنوات الأخيرة من أجل توسيع وتعميق دراسة الدماغ في جوانبه المختلفة: التعلم والذاكرة، الإدراك الحسي، نشاط الجهاز الحركي، العلاقة. بين الجهاز المناعي والدماغ، والعمليات البيولوجية الأساسية في الخلايا العصبية والخلايا الداعمة للدماغ، والتواصل بين الخلايا العصبية والمزيد. يبحث البعض أيضًا عن طرق لإصلاح تلف الدماغ وإيجاد حلول للإصابات العصبية وما شابه.

البروفيسور عيدو عرب من كلية الهندسة الصناعية والإدارة هو عالم نفسي يدرس عمليات التعلم الأساسية. يقول: "اليوم، بعد سنوات عديدة من البحث في المجال السلوكي، أفهم أن البيانات الفسيولوجية من مجال أبحاث الدماغ ستسمح لي بالتحقق مما إذا كانت افتراضاتي صحيحة وفهم آليات مثل صنع القرار بشكل أفضل".

يستخدم البروفيسور إيتامار كان من كلية الطب تقنية الرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسة نشاط الدماغ المسؤول عن دمج بيانات الحواس المختلفة ودمج البيانات لإنشاء الذكريات وأداء الحركات. "أحاول بشكل أساسي فهم الاضطرابات في هذا النظام، ومن الواضح بالنسبة لي أن التعاون مع كليات الهندسة في التخنيون يمكن أن يؤدي ليس فقط إلى فهم أفضل، ولكن أيضًا إلى تطبيقات روبوتية مثيرة للاهتمام سيتم تشغيلها مباشرة على الدماغ. والمساعدة في أعمال مثل المشي."

يشارك الدكتور شاهار كوتينسكي في تطوير بنيات حاسوبية غير قياسية مستوحاة من بنية الدماغ ويركز بشكل أساسي على أجهزة الكمبيوتر العصبية التي تحاكي آلية عمل القشرة الدماغية. "يتم بناء الكمبيوتر الكلاسيكي من وحدة حسابية (معالج) ووحدة تخزين (ذاكرة) - وليس البنية النموذجية للدماغ. إذا قمنا بتصميم أجهزة كمبيوتر مستوحاة من الدماغ وتحتوي على مكونات تعمل بشكل مشابه للمشابك العصبية والخلايا العصبية، فإنها ستؤدي أفعالًا بشرية مثل التعرف على الوجوه بكفاءة أكبر بكثير من أجهزة الكمبيوتر الحالية. ولهذا السبب يُطلب هنا التواصل بيننا نحن المهندسين وباحثي الدماغ."

يوضح البروفيسور جاكي شيلر من كلية الطب في رابابورت: "في العقود الأخيرة، أصبحت أبحاث الدماغ مجالًا بحثيًا متنوعًا ومتعدد التخصصات". "تعد الأدوات الهندسية جزءًا لا يتجزأ من تطوير أبحاث الدماغ وتطبيق أجهزة الدماغ كحل للقيود الحركية والمعرفية. هناك إمكانات هائلة في الأنظمة الاصطناعية التي تحاكي الدماغ البشري، واليوم أصبح من الواضح لنا أن التآزر بين مختلف التخصصات البيولوجية والحسابية والهندسية فقط هو الذي سيؤدي إلى تقدم كبير في فهم الدماغ ووظائفه. ولذلك، هناك حاجة إلى نشاط بحثي واسع النطاق ومتعدد التخصصات يرتكز على العمل النظري المتعمق والمتماسك وفي التجارب ما قبل السريرية والسريرية."

في المجموعة البحثية التي يتم تشكيلها بقيادة البروفيسور جاكي شيلر، الأعضاء هم باحثون من كليات عديدة ومتنوعة: البروفيسور يونينا إلدر (الهندسة الكهربائية)، البروفيسور سيمون إنجلندر (الطب)، البروفيسور المشارك راكفت أكرمان (الهندسة الصناعية) والإدارة)، بروفيسور نعمة برينر (هندسة كيميائية)، بروفيسور مشارك عمري باراك (طب)، بروفيسور يورام جوتفروند (طب)، بروفيسور مشارك دوري ديرديكمان (طب)، بروفيسور هيرمان فولوسكير (طب)، بروفيسور نوعام زيف (الطب)، بروفيسور ألون وولف (هندسة ميكانيكية)، بروفيسور ميريام ساكسينهويس (هندسة ميكانيكية)، بروفيسور مشارك رونان تالمون (هندسة كهربائية)، بروفيسور فخري موسى لايم (طب)، بروفيسور الداد يحيام (هندسة صناعية وهندسة) الإدارة)، البروفيسور رون مئير (الهندسة الكهربائية)، البروفيسور شمعون ماروم (الطب)، البروفيسور هيليل بيرات (الطب)، البروفيسور عيدو عرب (الهندسة الصناعية والإدارية)، البروفيسور المشارك إيتمار خان (الطب)، أستاذ مشارك شاهار كوتنسكي (الهندسة الكهربائية)، الأستاذ المشارك آسيا راولز (الطب)، البروفيسور يتسحاق شيلر (الطب) وباحثون آخرون.