يتم تشغيل مقطع فيديو في كل دورة تمهيدية في علم الأعصاب تقريبًا. لا يبدو الأمر كثيرًا - شريط من الضوء يتحرك ويدور عبر شاشة سوداء بينما ينبثق صوت الخلفية ويصدر صوت طقطقة مثل صوت الألعاب النارية البعيدة. الأشياء الجافة ، حتى تعلم أن الملوثات العضوية الثابتة تمثل إطلاق خلية عصبية واحدة في دماغ قطة ، ومشاهدة الشريط يتحرك عبر الشاشة. عندما يصطدم الشريط بمكان معين ويكون بزاوية معينة ، فإن الفرقعة تنفجر في خاتمة عظيمة للنشاط المحموم. الرسالة واضحة: هذه الخلية العصبية تهتم حقًا بهذا الشريط.
أجرى David Hubel و Torsten Wiesel التجربة الموضحة في الفيديو في الستينيات وساعدوا العلماء على استنتاج المبادئ الأساسية حول كيفية عمل النظام البصري. لعقود من الزمان ، قام علماء الأعصاب بوضع أقطاب كهربائية معدنية رفيعة في أدمغة الفئران والعصافير والقرود للتجسس على الخلايا العصبية الفردية ومعرفة ما يحفزها. هناك خلايا عصبية تتفاعل مع ألوان أو أشكال معينة ؛ أو في أماكن معينة في الفضاء أو في اتجاه الرأس ؛ أو وجوه كاملة أو سمات فردية.
تقول آن تشيرشلاند ، أستاذة علم الأعصاب في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، إن محركًا قويًا مثل تحليل الخلية المفردة ، "لطالما أراد الجميع المزيد من الخلايا العصبية". يرجع جزء من السبب إلى الإحصائيات البسيطة: فالمزيد من الملاحظات دائمًا ما تكون أفضل ، بغض النظر عن التجربة. لكن العلماء اصطدموا أيضًا بجدران تحليلية عند النظر إلى الخلايا العصبية الفردية. في قشرة الفص الجبهي ، المنطقة الواقعة في مقدمة الدماغ والتي تلعب دورًا رئيسيًا في التخطيط واتخاذ القرار والسلوك الاجتماعي ، تستجيب الخلايا العصبية لمثل هذا التنوع في الأشياء - الخصائص البصرية والمهام والقرارات - التي لم يتمكن الباحثون من القيام بها. إسناد أي دور معين إليهم ، على الأقل بشكل فردي. حتى في القشرة البصرية الأولية ، المنطقة البعيدة في الجزء الخلفي من الدماغ حيث قام Hubel و Wiesel بتسجيلاتهما ، فإن جزءًا بسيطًا فقط من الخلايا العصبية ينشط عندما ينظر الحيوان إلى القضبان الزاوية.
باستخدام تقنيات Hubel و Wiesel ، كان من المستحيل فحص أكثر من حفنة من الخلايا العصبية في وقت واحد. لكن المهندسين دفعوا هذه القدرة ودفعوا بها ، وبلغت ذروتها في تطوير مجسات نيوروبكسل في عام 2017. يبلغ طولها سنتيمترًا واحدًا ومصنوعًا من السيليكون ، ويمكن لمسبار واحد الاستماع إلى مئات الخلايا العصبية في وقت واحد ، وهو صغير بما يكفي لعلماء الأعصاب ليطرقوا العديد منها. دماغ حيوان. في معهد ألين ، وهو معهد أبحاث غير ربحي بدأه المؤسس المشارك لشركة مايكروسوفت بول ألين ، استخدموا ستة تحقيقات نيوروبكسل للتسجيل في وقت واحد من ثماني مناطق مختلفة من النظام البصري للفأر. في أغسطس ، أصدر المعهد بيانات من 81 فأرًا ، بما في ذلك نشاط حوالي 300000 خلية عصبية. البيانات متاحة مجانًا لجميع الباحثين الذين يرغبون في استخدامها.
باعتبارها أكبر مجموعة بيانات من نوعها تم جمعها على الإطلاق (أكبر بثلاث مرات من حامل الرقم القياسي السابق) ، يسمح هذا الإصدار للباحثين بمراقبة مجموعات ضخمة من الخلايا العصبية التي تعمل بشكل جماعي. قد يفتح هذا المقياس غير المسبوق فرصًا لفهم أجزاء من الإدراك استعصت في السابق على فهم المجتمع العلمي. يقول شون أولسن ، الباحث في معهد ألين الذي لعب دورًا مركزيًا في المشروع: "نريد أن نفهم كيف نفكر ونرى ونتخذ القرارات". "وهذا لا يحدث على مستوى الخلايا العصبية المفردة."
التحدي الآن هو كيفية تحليل كل هذه البيانات. ليس من السهل إدارة مجموعات البيانات الضخمة ؛ حتى مشاركتها وتحميلها قد يكون أمرًا صعبًا. ولكن على الرغم من صعوبة التحليل ، فإن العمل باستخدام مجموعات البيانات هذه يستحق العناء للعديد من الباحثين لأنه يسمح لهم بدراسة الدماغ وفقًا لشروطه الخاصة.
بالنسبة إلى Hubel و Wiesel ، كان الدماغ يشبه خط التجميع: مجموعات من الخلايا العصبية ، كل منها متخصص في دور معين ، يقسم ويقهر كل مهمة. أظهر لشخص ما بالونًا أحمر ، وستستجيب الخلايا العصبية الحساسة للدائرة والحساسة للأحمر بشكل مستقل. لكن هذا النهج لم يتكيف أبدًا مع الأداء الحقيقي للدماغ - إنه متصل بكثافة بحيث لا يعمل أي خلية عصبية أبدًا ...
يتم تشغيل مقطع فيديو في كل دورة تمهيدية في علم الأعصاب تقريبًا. لا يبدو الأمر كثيرًا - شريط من الضوء يتحرك ويدور عبر شاشة سوداء بينما ينبثق صوت الخلفية ويصدر صوت طقطقة مثل صوت الألعاب النارية البعيدة. الأشياء الجافة ، حتى تعلم أن الملوثات العضوية الثابتة تمثل إطلاق خلية عصبية واحدة في دماغ قطة ، ومشاهدة الشريط يتحرك عبر الشاشة. عندما يصطدم الشريط بمكان معين ويكون بزاوية معينة ، فإن الفرقعة تنفجر في خاتمة عظيمة للنشاط المحموم. الرسالة واضحة: هذه الخلية العصبية تهتم حقًا بهذا الشريط.
أجرى David Hubel و Torsten Wiesel التجربة الموضحة في الفيديو في الستينيات وساعدوا العلماء على استنتاج المبادئ الأساسية حول كيفية عمل النظام البصري. لعقود من الزمان ، قام علماء الأعصاب بوضع أقطاب كهربائية معدنية رفيعة في أدمغة الفئران والعصافير والقرود للتجسس على الخلايا العصبية الفردية ومعرفة ما يحفزها. هناك خلايا عصبية تتفاعل مع ألوان أو أشكال معينة ؛ أو في أماكن معينة في الفضاء أو في اتجاه الرأس ؛ أو وجوه كاملة أو سمات فردية.
تقول آن تشيرشلاند ، أستاذة علم الأعصاب في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، إن محركًا قويًا مثل تحليل الخلية المفردة ، "لطالما أراد الجميع المزيد من الخلايا العصبية". يرجع جزء من السبب إلى الإحصائيات البسيطة: فالمزيد من الملاحظات دائمًا ما تكون أفضل ، بغض النظر عن التجربة. لكن العلماء اصطدموا أيضًا بجدران تحليلية عند النظر إلى الخلايا العصبية الفردية. في قشرة الفص الجبهي ، المنطقة الواقعة في مقدمة الدماغ والتي تلعب دورًا رئيسيًا في التخطيط واتخاذ القرار والسلوك الاجتماعي ، تستجيب الخلايا العصبية لمثل هذا التنوع في الأشياء - الخصائص البصرية والمهام والقرارات - التي لم يتمكن الباحثون من القيام بها. إسناد أي دور معين إليهم ، على الأقل بشكل فردي. حتى في القشرة البصرية الأولية ، المنطقة البعيدة في الجزء الخلفي من الدماغ حيث قام Hubel و Wiesel بتسجيلاتهما ، فإن جزءًا بسيطًا فقط من الخلايا العصبية ينشط عندما ينظر الحيوان إلى القضبان الزاوية.
باستخدام تقنيات Hubel و Wiesel ، كان من المستحيل فحص أكثر من حفنة من الخلايا العصبية في وقت واحد. لكن المهندسين دفعوا هذه القدرة ودفعوا بها ، وبلغت ذروتها في تطوير مجسات نيوروبكسل في عام 2017. يبلغ طولها سنتيمترًا واحدًا ومصنوعًا من السيليكون ، ويمكن لمسبار واحد الاستماع إلى مئات الخلايا العصبية في وقت واحد ، وهو صغير بما يكفي لعلماء الأعصاب ليطرقوا العديد منها. دماغ حيوان. في معهد ألين ، وهو معهد أبحاث غير ربحي بدأه المؤسس المشارك لشركة مايكروسوفت بول ألين ، استخدموا ستة تحقيقات نيوروبكسل للتسجيل في وقت واحد من ثماني مناطق مختلفة من النظام البصري للفأر. في أغسطس ، أصدر المعهد بيانات من 81 فأرًا ، بما في ذلك نشاط حوالي 300000 خلية عصبية. البيانات متاحة مجانًا لجميع الباحثين الذين يرغبون في استخدامها.
باعتبارها أكبر مجموعة بيانات من نوعها تم جمعها على الإطلاق (أكبر بثلاث مرات من حامل الرقم القياسي السابق) ، يسمح هذا الإصدار للباحثين بمراقبة مجموعات ضخمة من الخلايا العصبية التي تعمل بشكل جماعي. قد يفتح هذا المقياس غير المسبوق فرصًا لفهم أجزاء من الإدراك استعصت في السابق على فهم المجتمع العلمي. يقول شون أولسن ، الباحث في معهد ألين الذي لعب دورًا مركزيًا في المشروع: "نريد أن نفهم كيف نفكر ونرى ونتخذ القرارات". "وهذا لا يحدث على مستوى الخلايا العصبية المفردة."
التحدي الآن هو كيفية تحليل كل هذه البيانات. ليس من السهل إدارة مجموعات البيانات الضخمة ؛ حتى مشاركتها وتحميلها قد يكون أمرًا صعبًا. ولكن على الرغم من صعوبة التحليل ، فإن العمل باستخدام مجموعات البيانات هذه يستحق العناء للعديد من الباحثين لأنه يسمح لهم بدراسة الدماغ وفقًا لشروطه الخاصة.
بالنسبة إلى Hubel و Wiesel ، كان الدماغ يشبه خط التجميع: مجموعات من الخلايا العصبية ، كل منها متخصص في دور معين ، يقسم ويقهر كل مهمة. أظهر لشخص ما بالونًا أحمر ، وستستجيب الخلايا العصبية الحساسة للدائرة والحساسة للأحمر بشكل مستقل. لكن هذا النهج لم يتكيف أبدًا مع الأداء الحقيقي للدماغ - إنه متصل بكثافة بحيث لا يعمل أي خلية عصبية أبدًا ...
Zoom
صور خوان جارتنر / جيتي
