اشترك في النشرة الإخبارية لنظرية Wonder's Wonder Science. استكشف الكون بأخبار عن الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.
باستخدام بقعة من الدماغ الماوس بحجم حبة الرمال ، ابتكر العلماء أول خريطة دقيقة ثلاثية الأبعاد لعقل الثدييات.
تفصل الخريطة على شكل ووظيفة ونشاط 84000 خلية عصبية ، وهي هياكل متفرعة تطلق الرسائل أسفل ذراع طويلة ، تسمى محور عصبي ، ثم من خلال أكثر من 500 مليون نقش ، بالإضافة إلى 200000 خلية دماغية. تحتوي القطعة الصغيرة من الأنسجة على 3.4 ميل (5.4 كيلومترات) من الأسلاك العصبية – ما يقرب من مرة ونصف طول حديقة وسط مدينة نيويورك.
هذا العمل هو تتويجا لما يقرب من عقد من البحث من قبل 150 عالم في 22 مؤسسة بقيادة معهد ألين لعلوم الدماغ وكلية بايلور للطب وجامعة برينستون.
وقال الدكتور فورست كولمان ، المدير المساعد للبيانات والتكنولوجيا في معهد ألين ، في مقطع فيديو شاركته المؤسسة: “أحد المنتجات الثانوية لهذا المشروع بأكمله يوضح لنا مدى جميل الدماغ بشكل لا يصدق”.
وأضاف: “مجرد النظر إلى هذه الخلايا العصبية يظهر لك تفاصيلها وحجمها بطريقة تجعلك تقدر الدماغ بشعور من الرهبة بالطريقة التي عندما تبحث ، كما تعلم ، على سبيل المثال ، في صورة مجرة بعيدة ، بعيدًا”.
لا تمثل الخريطة المذهلة سوى 1/500 من الحجم الكامل لعقل الماوس ، لكن الفريق انتهى به المطاف بـ 1.6 بيتيت من البيانات – وهو مبلغ مذهل يعادل 22 عامًا من الفيديو HD غير المتوقفة ، والذي أصبح المشروع ، المعروف باسم ذكاء الماكينة من الشبكات القشرية (Microns) ، متاحًا بشكل عام.
وصف الباحثون العمل في العديد من الأوراق المنشورة في مجلة Nature في 9 أبريل.
الدكتور كلاي ريد (يمين) ، كبير الباحثين في معهد ألين لعلوم الدماغ ، وطالب الدكتوراه بجامعة واشنطن ، ليلى إيلابدي ، تدرس البيانات من مشروع Microns. – معهد ألين من باب المجاملة
بناء نشاط الدماغ
لجعل الخريطة ، بدأ العلماء في كلية بايلور للطب في هيوستن باستخدام المجاهر المتخصصة لتسجيل نشاط الدماغ في جزء من الأنسجة المليئة بالحيوية في القشرة البصرية للماوس المختبر-حيث يعالج الحيوان ما يراه-على مدار بضعة أيام.
تأكد الباحثون من أن الماوس كان مستيقظًا وتحفيزًا بصريًا أثناء التصوير من خلال تشغيل الحيوان على جهاز المشي ومشاهدة مشاهد مدتها 10 ثوان من أفلام مختلفة ، بما في ذلك “The Matrix” و “Mad Max: Fury Road”. كانت مقاطع YouTube من الرياضات المتطرفة مثل موتوكروس و Luge و Base Jumping جزءًا من دوران المشاهدة ، وفقًا لبيان صحفي بجامعة برينستون.
بعد ذلك ، بعد الرحيم الرحيم للماوس ، أخذ الباحثون من معهد ألين في سياتل نفس ملليمتر مكعب من الدماغ وقاموا بقطعه إلى أكثر من 28000 طبقة ، كل 1/400 عرض شعر بشري ، وأخذ صورًا لكل شريحة على طول الطريق. ثم أعادوا بناء الصور في مركب.
وقال الدكتور نونو مااريكو دا كوستا ، المحقق المساعد في معهد ألين: “لقد استغرقنا ذلك حوالي 12 يومًا و 12 ليلة مع الفريق الذي أخذ نوبات على مدار الساعة ؛ ليس لأننا كنا نقطعها باليد ، إنها آلة مؤتمتة”.
“كنا بحاجة إلى أن نكون هناك للتوقف في أي وقت إذا اعتقدنا أننا سنخسر أكثر من قسم على التوالي.” إذا حدث ذلك ، قال دا كوستا إن التجربة يجب أن تبدأ من الصفر ، مضيفًا أن العملية برمتها كانت “مرهقة للغاية”.
قام فريق في جامعة برينستون في نيو جيرسي بعد ذلك بنشر أدوات التعلم الآلي والأذواق الاصطناعية لتتبع محيط كل خلية عصبية من خلال الشرائح ، وتلوين الخلايا العصبية لإلقاء الضوء عليها بشكل فردي في عملية تسمى التقسيم. يتم التحقق من صحة المعلومات التي تم إنشاؤها بواسطة الذكاء الاصطناعى من قبل العلماء المعنيين ، وهي عملية لا تزال مستمرة.
توج هذا العمل برؤية موحدة لما يطلق عليه العلماء دماغ الماوس “connectome” الذي يوضح مدى تنظيم أجزاء محددة من دماغ الماوس وتوفر نظرة ثاقبة على كيفية عمل أنواع الخلايا المختلفة معًا.
وقال الدكتور سيباستيان سيونج ، أستاذ EVNIN بجامعة برينستون في علم الأعصاب وأستاذ علوم الكمبيوتر: “إن Connectome هو بداية التحول الرقمي لعلوم الدماغ”.
وقال في بيان صحفي: “مع بعض ضربات المفاتيح ، يمكنك البحث عن المعلومات والحصول على النتائج في ثوانٍ. كانت بعض هذه المعلومات قد حصلت على أطروحة كاملة للحصول عليها من قبل. وهذه هي قوة التحول الرقمي”.
يعمل الدكتور نونو ماجاريكو دا كوستا ، المحقق المساعد في معهد ألين لعلوم الدماغ ، في مختبر المجهر الإلكتروني. – معهد ألين من باب المجاملة
تحدي مستحيل؟
كان يعتقد منذ فترة طويلة تعيين الدماغ بهذه الطريقة تحديًا مستحيلًا. اقترح علماء الأحياء الجزيئي فرانسيس كريك ، الذي فاز بجائزة نوبل لوصف بنية الحمض النووي ، أن علماء الأعصاب قد لا يتمكنون أبدًا من تحقيق مثل هذا الفهم التفصيلي للدماغ.
وكتب في العلمية الأمريكية في عام 1979: “لا فائدة من طلب المستحيل ، مثل ، على سبيل المثال ، مخطط الأسلاك الدقيق لميليمتر مكعب من أنسجة المخ وطريقة إطلاق جميع الخلايا العصبية الخاصة بها”.
يعتمد “Connectome” في دماغ الفأر على عمل مماثل على المخلوقات الأصغر: تم الانتهاء من Connectome of the Nematode Worm C. elegans في عام 2019 ، وكشف العلماء عن خريطة لجميع الخلايا العصبية في الدماغ ذبابة الفاكهة في عام 2024.
وقال الباحثون إن مليمترًا مكعبًا من دماغ الفأر أكبر حوالي 20 مرة من الدماغ الكامل Fruit Fly ، وأكثر تعقيدًا. ومع ذلك ، فإن الهدف هو أن تكون قادرًا على تعيين دماغ الفئران بأكمله في المستقبل القريب.
وقال كولمان لـ CNN: “أعتقد الآن أن الإجابة لا ، إنها ليست ممكنة ، لكنني أعتقد أن كل شخص لديه أفكار واضحة حقًا حول كيفية اختراق تلك الحواجز. نأمل في ثلاث أو أربع سنوات ، يمكننا القول ، نعم ، هذا ممكن”.
ومع ذلك ، قال إن رسم خرائط الدماغ البشري في دقة متشابكة مماثلة سيكون مسعى أكثر صعوبة بشكل كبير. وقال: “الدماغ البشري هو عامل آخر يبلغ 1500 أو أكبر من دماغ الماوس ، وهذا يجلب مضيفًا كاملاً … من الحواجز التقنية والأخلاقية التي تحول دون القيام بذلك”.
ومع ذلك ، قد يكون من الممكن تتبع المحاور في جميع أنحاء الدماغ البشري ، إن لم يكن اتصالات متشابكة ، كما أضاف الدكتور كلاي ريد ، كبير الباحثين في علوم الدماغ في معهد ألين.
“احتمال إعادة بناء الدماغ البشري بأكمله على مستوى جميع الروابط ، هذا شيء للمستقبل البعيد.”
طريقة جديدة لدراسة مرض الزهايمر
وقالت الدكتورة ماريلا بيتكوفا ، وهي زميلة باحث ، والدكتور غريغور شوهينخت ، زميل ما بعد الدكتوراه ، كلاهما في قسم البيولوجيا الجزيئية والخلايا الخلوية في جامعة هارفارد ، إن القشرة المخية الحديثة مثيرة للاهتمام بشكل خاص للدراسة ، لأن هذه المنطقة من الدماغ هي ما يميز أدمغة الثدييات عن تلك الموجودة في الفقاريات الأخرى. لم يشارك Petkova و Schuhknecht في إنشاء خريطة الدماغ الماوس.
وكتبوا في مقال نشر إلى جانب البحث: “ركز الباحثون على هذه المنطقة لأنها تعتبر عمومًا مقرًا للإدراك العالي ويلعبون دورًا رئيسيًا في الإدراك الحسي ومعالجة اللغة والتخطيط واتخاذ القرارات”.
هذا التقديم لتفاصيل الخريطة ثلاثية الأبعاد أكثر من 500 مليون نقش.
“بشكل ملحوظ أن هذه الوظائف المختلفة على ما يبدو أنها ممكنة من خلال مخطط يمكن العثور عليه ، مع بعض التعديلات ، في جميع المناطق القشرية وفي جميع الثدييات.”
يتم استخدام الفئران المعملية بالفعل على نطاق واسع لفهم الأمراض البشرية ، وسيقدم فهم أفضل لشكل ووظائف دماغ الماوس إمكانيات جديدة لدراسة اضطرابات الدماغ البشرية مثل الزهايمر ، باركنسون ، التوحد والفصام التي تنطوي على اضطرابات في التواصل العصبي.
وقال دا كوستا في بيان صحفي: “إذا كان لديك راديو مكسور وكان لديك مخطط الدائرة ، فستكون في وضع أفضل لإصلاحه”. “نحن نصف نوعًا من خريطة Google أو مخططًا لحبوب الرمال هذه. في المستقبل ، يمكننا استخدام هذا لمقارنة أسلاك الدماغ في فأر صحي مع أسلاك الدماغ في نموذج من المرض.”
لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية CNN قم بإنشاء حساب في CNN.com