قم بالتسجيل في النشرة الإخبارية للعلوم Wonder Theory على قناة CNN. استكشف الكون بأخبار الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.
قبل عشر سنوات، تلقى الدكتور جيف ليختمان – أستاذ البيولوجيا الجزيئية والخلوية بجامعة هارفارد – عينة صغيرة من الدماغ في مختبره.
وعلى الرغم من صغر حجمه، إلا أن الملليمتر المكعب الواحد من الأنسجة كان كبيرًا بما يكفي لاحتواء 57000 خلية، و230 ملم من الأوعية الدموية، و150 مليون مشبك عصبي.
وقال: “كانت أقل من حبة أرز، لكننا بدأنا في تقطيعها والنظر إليها، وكانت جميلة حقا”. “ولكن بينما كنا نجمع البيانات، أدركت أن لدينا طريقًا أكثر بكثير مما يمكننا التعامل معه.”
وفي النهاية، انتهى ليشتمان وفريقه بالحصول على 1400 تيرابايت من البيانات من العينة، أي ما يعادل تقريبًا محتوى أكثر من مليار كتاب. والآن، بعد عقد من التعاون الوثيق بين فريق المختبر والعلماء في Google، تحولت هذه البيانات إلى الخريطة الأكثر تفصيلاً لعينة الدماغ البشري التي تم إنشاؤها على الإطلاق.
300 مليون صورة
جاءت عينة الدماغ من مريض مصاب بالصرع الشديد. وقال ليختمان إنه إجراء قياسي هو إزالة جزء صغير من الدماغ لوقف النوبات، ثم النظر إلى الأنسجة للتأكد من أنها طبيعية. وقال: “لكن كان مجهول الهوية، لذلك لم أكن أعرف شيئًا تقريبًا عن المريض، بخلاف عمره وجنسه”.
ولتحليل العينة، قام ليشتمان وفريقه أولاً بتقطيعها إلى أجزاء رفيعة باستخدام سكين ذي حافة نصل مصنوعة من الماس. تم بعد ذلك دمج المقاطع في راتينج صلب وتقطيعها مرة أخرى إلى شرائح رفيعة جدًا. “حوالي 30 نانومتر، أو حوالي 1000 جزء من سمك شعرة الإنسان. لقد كانت غير مرئية تقريبًا، لولا حقيقة أننا صبغناها بالمعادن الثقيلة، مما جعلها مرئية عند إجراء التصوير الإلكتروني.
وانتهى الفريق بالحصول على عدة آلاف من الشرائح، والتي تم التقاطها بشريط مصنوع خصيصًا، مما أدى إلى إنشاء نوع من شريط الفيلم: “إذا التقطت صورة لكل قسم من تلك المقاطع وقمت بمحاذاة تلك الصور، فستحصل على قطعة ثلاثية الأبعاد الدماغ على المستوى المجهري.”
وذلك عندما أدرك الباحثون أنهم بحاجة إلى المساعدة في البيانات، لأن الصور الناتجة ستستهلك قدرًا كبيرًا من مساحة التخزين.
عرف ليشتمان أن جوجل كانت تعمل على خريطة رقمية لدماغ ذبابة الفاكهة، تم إصدارها في عام 2019، وكان لديها أجهزة الكمبيوتر المناسبة لهذه المهمة. لقد تواصل مع Viren Jain، أحد كبار الباحثين في Google والذي كان يعمل في مشروع ذبابة الفاكهة.
وقال جاين: “كانت هناك 300 مليون صورة منفصلة (في بيانات جامعة هارفارد)”. “ما يجعلها تحتوي على الكثير من البيانات هو أنك تقوم بالتصوير بدقة عالية جدًا، على مستوى المشبك العصبي الفردي. وفي تلك العينة الصغيرة من أنسجة المخ كان هناك 150 مليون مشبك عصبي.
لفهم الصور، استخدم العلماء في جوجل المعالجة والتحليل القائم على الذكاء الاصطناعي، وتحديد نوع الخلايا الموجودة في كل صورة وكيفية اتصالها. والنتيجة هي نموذج تفاعلي ثلاثي الأبعاد لأنسجة المخ، وأكبر مجموعة بيانات تم صنعها على الإطلاق بهذه الدقة لبنية الدماغ البشري. وقد أتاحته شركة جوجل على الإنترنت باسم “Neuroglancer”، وتم نشر دراسة في مجلة Science في الوقت نفسه، بمشاركة Lichtman وJin.
فهم الدماغ
أدى التعاون بين فريقي هارفارد وجوجل إلى الحصول على صور ملونة تجعل المكونات الفردية أكثر وضوحًا، ولكنها بخلاف ذلك تمثل تمثيلًا صادقًا للأنسجة.
“الألوان اعتباطية تمامًا،” أوضح جاين، “ولكن أبعد من ذلك، ليس هناك الكثير من الترخيص الفني هنا. بيت القصيد من هذا هو أننا لا نخترعه، فهذه هي الخلايا العصبية الحقيقية، والأسلاك الحقيقية الموجودة في هذا الدماغ، ونحن في الواقع نجعله مريحًا وسهل الوصول إليه لعلماء الأحياء لمشاهدته ودراسته.
وتضمنت البيانات بعض المفاجآت. على سبيل المثال، بدلاً من تشكيل اتصال واحد، تحتوي أزواج الخلايا العصبية بدلاً من ذلك على أكثر من 50. “يشبه هذا نوعًا ما لو كان منزلين في كتلة واحدة يحتويان على 50 خط هاتف منفصل يربط بينهما. ما الذي يحدث هناك؟ لماذا هم مرتبطون بقوة؟ وقال: “لا نعرف بعد ما هي وظيفة أو أهمية هذه الظاهرة، وسيتعين علينا دراستها بشكل أكبر”.
وفي النهاية، فإن مراقبة الدماغ بهذا المستوى من التفاصيل يمكن أن تساعد الباحثين على فهم الحالات الطبية التي لم يتم حلها، وفقًا لليتشمان.
“ماذا يعني أن نفهم دماغنا؟ أفضل ما يمكننا فعله هو وصفه، ونأمل أن نستنتج من هذه الأوصاف إدراكًا، على سبيل المثال، حول كيفية اختلاف الأدمغة الطبيعية عن الأدمغة المضطربة، في الأمراض النفسية للبالغين أو اضطرابات النمو مثل طيف التوحد – وقال إن هذا النوع من المقارنة سيكون ذا قيمة كبيرة. “في نهاية المطاف، سوف يمنحنا هذا بعض المعلومات حول ما هو الخطأ، والذي، في معظم الحالات، لا نزال في حالة جهل بشأنه.”
ويعتقد ليشتمان أيضًا أن مجموعة البيانات قد تكون مليئة بتفاصيل مذهلة أخرى لم يتم اكتشافها بعد، نظرًا لحجمها: “ولهذا السبب نشاركها عبر الإنترنت، حتى يتمكن أي شخص من الاطلاع عليها والعثور على الأشياء”. وأضاف.
بعد ذلك، يهدف الفريق الذي يقف وراء المشروع إلى إنشاء خريطة كاملة لدماغ الفأر، الأمر الذي يتطلب ما بين 500 إلى 1000 ضعف كمية البيانات الموجودة في عينة الدماغ البشري.
وقال ليشتمان: “هذا يعني 1 إكسابايت، أي 1000 بيتابايت”. “يفكر الكثير من الناس مليًا في كيفية القيام بذلك، ونحن في السنة الأولى من إثبات المبدأ لمدة خمس سنوات. أعتقد أن هذه ستكون لحظة فاصلة لعلم الأعصاب، للحصول على مخطط كامل لأسلاك دماغ الثدييات؛ سوف يجيب على العديد والعديد من الأسئلة. وبطبيعة الحال، فإنه سيكشف عن العديد من المشاكل، أشياء لم نتوقعها.
ماذا عن رسم خريطة للدماغ البشري بأكمله؟ وأوضح ليشتمان أن ذلك سيكون أكبر بألف مرة أخرى، مما يعني أن البيانات ستصل إلى زيتابايت واحد. وفي عام 2016، كان هذا هو حجم حركة المرور على الإنترنت بالكامل لهذا العام، وفقًا لشركة سيسكو. في الوقت الحالي، يقول ليشتمان، لن يكون من الصعب تخزين هذا القدر من البيانات فحسب، بل لن تكون هناك طريقة مقبولة أخلاقياً للحصول على دماغ بشري أصلي ومحفوظ جيدًا.
فتح آفاق جديدة
أعرب الباحثون في نفس المجال، الذين لم يشاركوا في العمل، عن حماستهم عندما اتصلت بهم شبكة CNN للتعليق.
وقال مايكل بينكوفسكي، الأستاذ المساعد في علم وظائف الأعضاء وعلم الأعصاب في كلية كيك للطب بجامعة جنوب كاليفورنيا: “هذه الدراسة رائعة، وهناك الكثير لنتعلمه من بيانات مثل هذه”.
“إن الكثير مما نعتقد أننا نفهمه عن الدماغ البشري يتم استقراءه من الحيوانات، لكن مثل هذا البحث أمر بالغ الأهمية للكشف عما يجعلنا بشرًا حقًا. وقال بينكوفسكي: “إن تصور الخلايا العصبية وخلايا الدماغ الأخرى يمثل تحديًا حقيقيًا بسبب كثافتها وتعقيدها، كما أن مجموعة البيانات الحالية لا تلتقط الاتصالات طويلة المدى”.
“ما هي مناطق الدماغ الأخرى التي تنشأ منها هذه المدخلات، وأين تذهب المخرجات بمجرد مغادرة المنطقة؟ وأضاف: “لكن رؤية كل هذه الأنواع المختلفة من الخلايا وتفاعلاتها أمر لا يصدق ويجعلك تقدر ما قدمته لنا الحياة المعمارية من تحفة”.
ويتفق مع ذلك أندرياس تولياس، أستاذ طب العيون بجامعة ستانفورد في كاليفورنيا. وقال: “هذه دراسة فنية رائعة تعيد بناء بنية القشرة البشرية بدقة عالية”. “لقد كنت متحمسًا بشكل خاص لاكتشاف محاور عصبية نادرة قادرة على تشكيل ما يصل إلى 50 مشبكًا عصبيًا. هذه النتيجة مثيرة للاهتمام وتثير أسئلة مهمة حول أدوارها الحسابية.
يفتح مشروع رسم خرائط الدماغ الباب أمام التحقيقات المستقبلية، وفقًا لعالم الأعصاب أولاف سبورنز.
قال سبورنز، الأستاذ المتميز في العلوم النفسية وعلوم الدماغ في جامعة إنديانا: “كل دماغ بشري عبارة عن شبكة واسعة من مليارات الخلايا العصبية”. “تسمح هذه الشبكة للخلايا بالتواصل، في أنماط محددة للغاية تعتبر أساسية للذاكرة والفكر والسلوك. وأضاف: “إن رسم خريطة لهذه الشبكة، الشبكة العصبية البشرية، أمر بالغ الأهمية لمعرفة كيفية عمل الدماغ”، مشيرًا إلى أن الدراسة تفتح آفاقًا جديدة نحو هذا الهدف المهم، وتوفر فرصًا جديدة مثيرة للاستكشاف والاكتشاف.
لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية لـ CNN، قم بإنشاء حساب على CNN.com