يمكن للتكنولوجيا القائمة على تشفير شريط الحمض النووي أن تحدد بسهولة عددًا غير مسبوق من الروابط بين خلايا الدماغ الفردية. التعقيد غير المتوقع للنظام البصري هو فقط أول الأسرار التي اكتشفتها.
جالسًا على مكتب في مكتبه في حرم
مختبر كولد سبرينغ هاربور ، حولني عالم الأعصاب
توني زادور شاشة الكمبيوتر الخاصة به لإظهار رسم بياني معقد في شكل مصفوفة. تخيل جدول بيانات مليء بألوان من ظلال وتدرجات مختلفة بدلاً من الأرقام. قال بشكل عابر: "عندما أخبر الناس أنني قد فهمت روابط عشرات الآلاف من الخلايا العصبية وأريهم ذلك ، رداً على ذلك يقولون فقط" آه؟ "ولكن عندما أري الناس هذا ..." ضغط على الزر وظهرت شاشة شفافة نموذج ثلاثي الأبعاد للدماغ ، يدور حول أحد المحاور ، مليء بالعقد والخطوط ، بكمية كبيرة جدًا لا يمكن حسابها. "يقولون:" ماذا ...! "
أطلعني زادور على خريطة تحتوي على 50000 خلية عصبية في قشرة الدماغ. تم وضع علامة عليه حيث توجد أجسام جميع الخلايا العصبية ، وأين توجه فروعها طويلة المحور العصبي. خرائط عصبية بهذا الحجم والتفاصيل لم تكن من قبل. تخلى زادور عن النهج التقليدي لبناء خريطة الدماغ من خلال وضع العلامات الفلورية على الخلايا العصبية ، واختار تقنية غير عادية تستند إلى تقليد طويل من أبحاث البيولوجيا الجزيئية في كولد سبرينج هاربور في لونغ آيلاند. استخدم جزيئات معلومات الجينوم لإدخال تسلسل فريد من الحمض النووي الريبي ، أو الباركود ، في كل خلية عصبية فردية. ثم قام بتقطيع الدماغ إلى مكعبات وإطعامها إلى مُسلسِل الحمض النووي. وكانت النتيجة صورة ثلاثية الأبعاد لـ 50000 خلية عصبية من القشرة الدماغية للفأر (وقريبًا سيتم إضافة المزيد إليها) ، مع دقة تصل إلى الخلايا الفردية.
هذا العمل ،
ماغنوم أوبوس زادور ، لا يزال يخضع لسلسلة من التحسينات والتصحيحات قبل النشر. ولكن في بحث نشر حديثًا في دورية Nature
، أظهروا هم وزملاؤهم أن هذه التقنية ، المعروفة باسم MAPseq (تحليل متعدد الإسقاطات بالتسلسل) ، يمكن استخدامها للبحث عن أنواع وأنماط خلايا جديدة لم تكن معروفة من قبل . وقد ظهر أيضًا في العمل أن هذه الطريقة عالية الإنتاجية للعلامات تتنافس بشدة على دقة تقنية الفلورسنت ، وهي المعيار الحالي ، ولكنها تعمل بشكل أفضل مع عدد قليل فقط من الخلايا العصبية.
طوني زادورولد هذا المشروع بسبب استياء زادور من وظيفته الروتينية "الرئيسية" كطبيب فيزيولوجي عصبي ، كيف يتحدث بجفاف حوله. يدرس تأثير السمع على صنع القرار في القوارض: كيف يسمع دماغهم الأصوات ، ويعالج المعلومات الصوتية ويحدد الاستجابة أو التصرف السلوكي. لم ترض السجلات الفيزيولوجية الكهربية وغيرها من الأدوات التقليدية المستخدمة في حل هذه المشاكل إرضاء عالم الرياضيات المائل. المشكلة ، كما يقول زادور ، هي أننا لسنا على دراية جيدة بالاتصالات العصبية ، لذلك فهو يحاول بدوام جزئي إيجاد أدوات جديدة للحصول على صور الدماغ.
الحالة الحالية لتقنية رسم خرائط الدماغ المتقدمة هي مشروع
أطلس دماغ ألن لأطلس الدماغ ، والذي تم تجميعه نتيجة لعدة سنوات من العمل في العديد من المختبرات ، وبتكلفة حوالي 25 مليون دولار. يُعرف أطلس ألين باسم أطلس الاتصالات الجماعية لأنه يتتبع المجموعات الفرعية للخلايا العصبية و مركبات المجموعة. كان مفيدًا جدًا للباحثين ، لكنه ليس قادرًا على إحداث اختلافات دقيقة موجودة داخل مجموعات أو مجموعات فرعية من الخلايا العصبية.
إذا أردنا أن نعرف كيف يسمع الفأر صوتًا عاليًا ، يعالجه ويفهم أن الصوت يعني ظهور مكافأة في شكل مشروب منعش ، أو يشكل ذاكرة جديدة ، حتى نتذكر التهديد لاحقًا ، نحتاج إلى البدء بخريطة أو رسم تخطيطي لاتصالات الدماغ . من وجهة نظر زادور ، يلعب نقص المعرفة حول هذه المركبات دورًا في سبب بطء التقدم في علاج الأمراض النفسية ولماذا لا يزال الذكاء الاصطناعي غير ذكي بما فيه الكفاية.
جوستوس كيبسكول ، عالم الأعصاب في جامعة ستانفورد ، مؤلف عمل جديد في الطبيعة وطالب دراسات عليا سابق في مختبر زادورا ، أشار إلى أن القيام بعلم الأعصاب دون معرفة الاتصالات يشبه "محاولة فهم كيفية عمل جهاز كمبيوتر من خلال النظر إليه من الخارج ، وحشوها في قطب كهربائي ومحاولة فهم ما يمكن العثور عليه هناك. مع عدم معرفة أن محرك الأقراص الصلبة متصل بالمعالج ، وأن USB ينقل بيانات الإدخال إلى النظام ، فمن الصعب جدًا فهم ما يحدث. "
جاء الإلهام لتطوير SAPsec إلى Zador عندما اكتشف تقنية أخرى لرسم خرائط الدماغ تسمى
Brainbow [تلوين الخلايا العصبية مع بروتينات الفلورسنت بألوان مختلفة ؛ الدماغ - الدماغ ، قوس قزح - قوس قزح / تقريبا. ترجم.]. هذه الطريقة ، التي ظهرت في مختبر
جيف ليختمان من جامعة هارفارد ، ملحوظة لحقيقة أنها قادرة على تحديد ما يصل إلى 200 خلية عصبية فردية في نفس الوقت ، باستخدام مجموعات مختلفة من الألوان الفلورية. كانت النتيجة صورة خلابة متعددة الألوان لخلايا عصبية من ألوان النيون ، تُظهر بالتفصيل مزيجًا معقدًا من المحاور والأجسام العصبية. أعطى هذا العمل الثوري الأمل في أن تخطيط
الاتصال ، وهو وصف كامل لجميع الاتصالات العصبية للدماغ ، يقترب من الواقع. لسوء الحظ ، كان محدودية هذه التقنية في الممارسة العملية أنه عندما ينظر إليها من خلال المجهر ، يمكن للمجربين التعرف على خمسة إلى عشرة ألوان مختلفة ، وهو ما لم يكن كافيا لاختراق تعقيدات الخلايا العصبية في القشرة الدماغية ولتمييز العديد من الخلايا العصبية في نفس الوقت.
عندها ظهرت فكرة في رأس زادور. لقد أدرك أن مشكلة التعقيد الشديد للربط الشبكي يمكن ترويضه إذا تمكن الباحثون من تكييف السرعات المتزايدة والتكلفة المتناقصة لتقنيات تسلسل الجينوم عالية الإنتاجية مع احتياجاتهم. وأوضح قائلاً: "في الرياضيات ، يسمى هذا تقليل المشكلة إلى المشكلة السابقة التي تم حلها بالفعل".
في
SAPsec ، أدخل الباحثون فيروسات معدلة وراثيًا إلى حيوان يحمل العديد من سلاسل RNA المعروفة ، أو "الباركود". لمدة أسبوع تقريبًا ، تتكاثر الفيروسات في جسم الحيوان ، وتملأ كل عصبون بمزيج فريد من هذه الرموز الشريطية. عندما يقوم الباحثون بعد ذلك بقص الدماغ إلى قطع ، يمكن أن تساعد الباركود RNA على تتبع الخلايا العصبية الفردية من قطعة إلى أخرى.
أدت فكرة زادور إلى
عمل جديد في الطبيعة ، استخدم فيه مختبره وفريقه من جامعة لندن كوليدج ، بتوجيه من عالم الأعصاب
توماس مارسيك-فلوغل ، SAPsec لتتبع اتصالات ما يقرب من 600 خلية عصبية في النظام البصري للماوس.
600 خلية عصبية هي بداية متواضعة مقارنة بعشرات الملايين من الخلايا العصبية الموجودة في دماغ الفأر. لكن هذا كان كافيا لهدف معين حدده الباحثون لأنفسهم. أرادوا أن يفهموا ما إذا كان هناك هيكل في دوائر الدماغ يمكن أن يلقي الضوء على عمله. النظرية الشائعة هي أنه في القشرة البصرية ، تجمع الخلايا العصبية الفردية قطعًا منفصلة من المعلومات من العين - حول حواف الأشياء في الأفق ، أو نوع الحركة ، أو التوجه المكاني ، على سبيل المثال. يرسل العصبون بعد ذلك إشارة إلى منطقة واحدة متطابقة من الدماغ متخصصة في معالجة هذا النوع من المعلومات.
مثال على كيفية تحديد SAPsec لاتصالات العديد من الخلايا العصبية:
تشير النقاط الملونة إلى موقع أجسام 50.000 عصبون في قشرة الفأر
اتصالات محور عصبي فقط اثنين من الخلايا العصبية تنتهي في مكان آخر في الدماغ
المسارات العصبية للعديد من الخلايا العصبيةلاختبار نظريته ، قام الفريق أولاً بتمييز العديد من الخلايا العصبية للماوس بالطريقة التقليدية ، حيث أدخل صبغة الفلورسنت المشفرة وراثيًا في الخلايا الفردية. ثم ، باستخدام الميكروسكوب ، تتبعوا كيف امتدت الخلايا من القشرة البصرية الرئيسية إلى أجزاء أخرى من الدماغ. ووجدوا أن محاوير الخلايا العصبية تتفرع وترسل معلومات إلى عدة أجزاء من الدماغ في وقت واحد ، والتي دحضت نظرية الاتصالات الفردية.
ثم بدأوا في البحث عن أنماط في هذه العلاقات. استخدموا SAPsec لتتبع اتصالات 591 من الخلايا العصبية التي تفرعت وأعطت أهدافًا مختلفة. رأى الفريق أن توزيع المحاوير يطيع النظام المنتظم: فبعض الخلايا العصبية تمد المحاور دائمًا إلى الأقسام ، على سبيل المثال ، A و B و C ، ولا تشمل أبدًا الأقسام D أو E.
تشير النتائج إلى أن النظام البصري لديه علاقات معقدة للغاية وأن أنماط هذه الروابط أكثر تعقيدًا بكثير من مجرد علاقة واحد لواحد. قال كيبسكول: "إن المناطق المرئية عالية المستوى لا تتلقى فقط معلومات تمت معالجتها خصيصًا لهم". وبدلاً من ذلك ، تتلقى العديد من المواقع نفس المعلومات "بحيث يمكن أن تكون حساباتها مرتبطة ببعضها البعض".
ومع ذلك ، فإن حقيقة أن بعض الخلايا لديها اتصالات مع مناطق معينة تعني أيضًا أن خلايا متخصصة ، ليست مفتوحة بعد موجودة في القشرة البصرية. وقال كيبسكول إن هذه الخريطة تشبه المخططات التي ستسمح للباحثين في المستقبل بفهم ما تفعله هذه الخلايا. "يتيح لك SAPsec إنشاء خريطة أجهزة. بمجرد أن نتعامل مع المعدات ، يمكننا البدء في العمل مع البرنامج وعملية الحساب ".
تعد الميزة التنافسية لـ SAPsec في السرعة والتكلفة كبيرة جدًا. وفقًا لـ Zador ، يجب أن تكون هذه التقنية قادرة على زيادة حجمها إلى 100.000 من الخلايا العصبية ، ومعالجة هذا الحجم في غضون أسبوعين وب 10000 دولار فقط - وهذا أسرع بكثير من طرق الترميز التقليدية وأرخص بكثير منها.
مثل هذه المزايا ستجعل مهمة تمييز ومقارنة المسارات العصبية للعديد من العقول مهمة أكثر واقعية. غالبًا ما أزعجت دراسة حالات مثل
الفصام والتوحد ، والتي يُعتقد أنها تنشأ عن الاختلافات في اتصالات الدماغ ، العلماء لأن الأدوات المتاحة لهم غير قادرة على التعرف على العديد من التفاصيل الصغيرة المتعلقة بالصلات العصبية. يمكن للمرء أن يتصور أن الباحثين سيكونون قادرين على بناء خريطة لهذه الحالات للفئران ومقارنتها بأمثلة أكثر نموذجية من خرائط الدماغ ، والتي ستحفز موجة جديدة من البحث. قال
هون كوي زن ، المدير التنفيذي لقسم العلوم المهيكلة في معهد ألن لأبحاث الدماغ: "العديد من الأمراض العقلية ناتجة عن مشاكل الاتصال". "ستخبرك معلومات العلاقة بمكان البحث عن إجابات".
سيسمح الترميز التفصيلي للعلماء أيضًا بجمع كمية كبيرة من البيانات البيولوجية العصبية والبحث عن أنماط من بينها تعكس المبادئ العامة لوظيفة الدماغ. قال
شريكانت تشالاساني ، عالم الأعصاب الجزيئي في معهد سالك: "ينظر توني إلى الدماغ من خلال نظرة غير مشوهة". "مثلما قدمت خريطة الجينوم البشري الدعم لاختبار الفرضيات والبحث عن الأنماط في تسلسل وعمل الجينات ، فإن طريقة توني يمكن أن تفعل الشيء نفسه بالنسبة لقضايا بنية الدماغ."
لم تشرح خريطة تفصيلية للجينوم البشري على الفور جميع أسرار عمل علم الأحياء ، لكنها أعطت قائمة بـ "قطع غيار" الجزيئات الحيوية وفتحت الطريق أمام
مجرة من الأبحاث الثورية . وبالمثل ، في المرحلة الحالية من التطوير ، لا يمكن لـ SAPsec توفير معلومات حول عملية أو موقع الخلايا التي تسميها ، أو إظهار الخلايا التي تتواصل مع بعضها البعض. لكن Zador يخطط لإضافة مثل هذه الوظائف قريبًا. يعمل أيضًا بالتعاون مع العلماء الذين يدرسون أجزاء مختلفة من الدماغ ، على سبيل المثال ، الروابط العصبية التي تعالج الخوف.
أعتقد أنه من كل هذه الروابط سيكون من الممكن استخراج العديد من الأفكار. لكن هذا ، كما هو الحال مع الجينوم - في حد ذاته ليس شيئًا مثيرًا للاهتمام ، والأشياء التي تسمح لك بالقيام بها هي ثورية. لذلك أنا في مثل هذه الإثارة المبهجة. "آمل أن تقدم هذه التكنولوجيا الدعم للجيل القادم من العمل في هذا المجال."