تشير الأبحاث الجديدة إلى أن الخلايا التي تقع في الطبقات الخارجية من الدماغ البشري تولد نوعًا خاصًا من الإشارات الكهربائية التي قد تمنحها دفعة إضافية من قوة الحوسبة. علاوة على ذلك ، قد تكون هذه الإشارة فريدة بالنسبة للبشر - وقد تشرح ذكاءنا الفريد ، وفقًا لمؤلفي الدراسة.
ترتبط خلايا الدماغ ، أو الخلايا العصبية ، من خلال أسلاك طويلة متفرعة ورسائل مكوكية على طول هذه الكابلات للتواصل مع بعضها البعض. يحتوي كل عصبون على سلك صادر ، يسمى محوار ، وسلك يستقبل الرسائل الواردة ، والمعروفة باسم التغريد. يقوم التغصنات بتمرير المعلومات إلى بقية الخلايا العصبية من خلال رشقات من النشاط الكهربائي. اعتمادًا على كيفية توصيل الدماغ بالأسلاك ، قد يتلقى كل التغصن مئات الآلاف من الإشارات من الخلايا العصبية الأخرى على طوله. في حين يعتقد العلماء أن هذه المسامير الكهربائية تساعد على توصيل الدماغ وقد تكمن وراء قدرات مثل التعلم والذاكرة ، يبقى الدور الدقيق للتشعبات في الإدراك البشري لغزا.
الآن ، كشف الباحثون عن نكهة جديدة من الارتفاع الكهربائي في التشعبات البشرية - يعتقدون أنها قد تسمح للخلايا بإجراء العمليات الحسابية التي كان يعتقد أنها معقدة للغاية بحيث لا يمكن لخلايا عصبية واحدة أن تعالجها بمفردها. تشير الدراسة ، التي نُشرت في 3 يناير في مجلة Science ، إلى أن الخاصية الكهربائية المكتشفة حديثًا لم تتم ملاحظتها أبدًا في أي نسيج حيواني بخلاف الإنسان ، مما يثير تساؤلًا حول ما إذا كانت الإشارة تساهم بشكل فريد في الذكاء البشري ، أو في ذكريات الرئيسيات ، أبناء العم التطوري.
إشارة غريبة
قال المؤلف المشارك في الدراسة ماثيو لاركوم ، الأستاذ في قسم علم الأحياء بجامعة هومبولت في برلين ، أنه حتى الآن ، أجريت معظم دراسات التغصنات في أنسجة القوارض ، والتي تشترك في الخصائص الأساسية مع خلايا الدماغ البشرية. ومع ذلك ، فإن الخلايا العصبية البشرية تقيس ضعف طول تلك الموجودة في الماوس.
وقال لاركوم لـ "لايف ساينس": "هذا يعني أن الإشارات الكهربائية يجب أن تنتقل مرتين إلى هذا الحد". "إذا لم يكن هناك تغيير في الخواص الكهربائية ، فإن ذلك سيعني أنه في البشر ، ستكون نفس المدخلات المشبكية أقل قوة إلى حد ما". وبعبارة أخرى ، فإن المسامير الكهربائية التي يتلقاها التغصن تضعف بشكل ملحوظ عندما تصل إلى جسم الخلية العصبية.
لذا شرع Larkum وزملاؤه في الكشف عن الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية البشرية لمعرفة كيف تمكنت هذه التشعبات الأطول في الواقع من إرسال الإشارات بشكل فعال.
لم تكن مهمة سهلة.
أولاً ، كان على الباحثين أن يضعوا أيديهم على عينات من أنسجة المخ البشري ، وهي مورد نادر. انتهى الفريق باستخدام الخلايا العصبية التي تم تقطيعها من أدمغة مرضى الصرع والأورام كجزء من العلاج الطبي. ركز الفريق على الخلايا العصبية التي تم استئصالها من القشرة الدماغية ، الجزء الخارجي المتجعد من الدماغ الذي يحتوي على عدة طبقات متميزة. في البشر ، تحتوي هذه الطبقات على شبكات كثيفة من التشعبات وتنمو لتكون سميكة للغاية ، وهي سمة قد تكون "أساسية لما يجعلنا بشرًا" ، وفقًا لبيان من العلوم.
قال لاركوم: "تحصل على الأنسجة بشكل غير متكرر ، لذا عليك العمل مع ما هو أمامك". وأضاف ، وعليك أن تعمل بسرعة. خارج جسم الإنسان ، تبقى خلايا الدماغ المتعطشة للأكسجين قابلة للحياة لمدة يومين تقريبًا. للاستفادة الكاملة من هذه الفترة الزمنية المحدودة ، كان لاركوم وفريقه يجمعون القياسات من عينة معينة لأطول فترة ممكنة ، ويعملون في بعض الأحيان لمدة 24 ساعة متتالية.
خلال هذه الماراثونات التجريبية ، قام الفريق بتقطيع أنسجة المخ إلى شرائح وثقوب مطعون في التشعبات الموجودة بداخلها. من خلال لصق ماصات زجاجية رقيقة من خلال هذه الثقوب ، يمكن للباحثين حقن أيونات ، أو جزيئات مشحونة ، في التشعبات ومراقبة كيفية تغيرها في النشاط الكهربائي. كما هو متوقع ، ولدت التشعبات المحفزة طفرات من النشاط الكهربائي ، لكن هذه الإشارات بدت مختلفة تمامًا عن تلك التي شوهدت من قبل.
أشعلت كل طفرة لفترة وجيزة فقط - حوالي مللي ثانية. في أنسجة القوارض ، يحدث هذا النوع من الارتفاع الفائق القصر عندما يدخل فيضان من الصوديوم التغصنات ، ناتجًا عن تراكم معين للنشاط الكهربائي. وقال لاركوم إن الكالسيوم يمكن أن يؤدي أيضًا إلى حدوث طفرات في التشعبات القوارض ، لكن هذه الإشارات تميل إلى أن تدوم 50 إلى 100 مرة أطول من مسامير الصوديوم. لكن ما شاهده الفريق في الأنسجة البشرية بدا وكأنه مزيج هجين من الاثنين.
قال لاركوم: "على الرغم من أنها تبدو كحدث صوديوم ، إلا أنها كانت في الواقع حدث من الكالسيوم". اختبر أعضاء الفريق ما سيحدث إذا منعوا الصوديوم من دخول عينات التشعبات ووجدوا أن المسامير استمرت في إطلاق النار بلا هوادة. علاوة على ذلك ، أطلقت المسامير الفائقة القصر بتتابع سريع ، واحدة تلو الأخرى. ولكن عندما منع الباحثون الكالسيوم من دخول الخلايا العصبية ، توقفت المسامير قصيرة. وخلص العلماء إلى أنهم تعثروا في فئة جديدة من السنبلة ، واحدة مماثلة في الصوديوم ولكنها تتحكم في الكالسيوم.
قال مايانك ميهتا ، أستاذ في أقسام الأعصاب وفيزياء الأعصاب وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، والذي لم يشارك في الدراسة: "تبدو هذه مختلفة عما نعرفه حتى الآن عن الثدييات الأخرى". والسؤال الكبير هو ، كيف ترتبط هذه المسامير بوظيفة الدماغ الفعلية ، قال.
القوى الحسابية
لم يتمكن لاركوم وزملاؤه من اختبار الكيفية التي قد تتصرف بها عيناتهم المقطعة في دماغ بشري سليم ، لذلك قاموا بتصميم نموذج كمبيوتر بناءً على نتائجهم. في المخ ، تتلقى التشعبات إشارات بطولها من الخلايا العصبية القريبة التي يمكن أن تدفعها لتوليد ارتفاع أو تمنعها من القيام بذلك. وبالمثل ، صمم الفريق التشعبات الرقمية التي يمكن تحفيزها أو تثبيطها من آلاف النقاط المختلفة على طول أطوالها. من الناحية التاريخية ، تشير الدراسات إلى أن التغصنات تحسب هذه الإشارات المتعارضة بمرور الوقت وتطلق طفرة عندما يفوق عدد الإشارات الإثارة الإشارات المثبطة.
لكن التشعبات الرقمية لم تتصرف بهذه الطريقة على الإطلاق.
وقال لاركوم: "عندما نظرنا عن كثب ، رأينا أنه كانت هناك هذه الظاهرة الغريبة". كلما كانت الإشارات الأكثر إثارة التي حصل عليها التغصن ، قل احتمال توليد ارتفاع. وبدلاً من ذلك ، بدت كل منطقة في التغصن معينة "مضبوطة" للاستجابة إلى مستوى معين من التحفيز - لا أكثر ولا أقل.
ولكن ماذا يعني هذا من حيث وظيفة الدماغ الفعلية؟ وقال لاركوم إن هذا يعني أن التشعبات قد تعالج المعلومات في كل نقطة على طولها ، وتعمل كشبكة موحدة لتحديد المعلومات التي يجب إرسالها على طولها ، وأيها يجب التخلص منها وأيها يجب التعامل معها بمفردها.
وقال ميهتا لـ Live Science: "لا يبدو أن الخلية تضيف أشياء فقط - إنها أيضًا ترمي الأشياء بعيدًا". (في هذه الحالة ، تكون إشارات "التخلص من" إشارات مثيرة لا يتم ضبطها بشكل صحيح على "البقعة الحلوة" في منطقة التغصني). يمكن لهذه القوة الخارقة الحسابية أن تمكّن التشعبات من القيام بوظائف ذات مرة كان يعتقد أنها عمل شبكات عصبية كاملة ؛ على سبيل المثال ، يفترض ميهتا أن التشعبات الفردية يمكنها حتى تشفير الذكريات.
ذات مرة ، اعتقد علماء الأعصاب أن شبكات كاملة من الخلايا العصبية عملت معًا لإجراء هذه الحسابات المعقدة وقرروا كيفية الاستجابة كمجموعة. الآن ، يبدو أن التغصن الفردي يقوم بهذا النوع الدقيق من الحسابات بمفرده.
قد يكون الدماغ البشري هو الوحيد الذي يمتلك هذه القوة الحسابية الرائعة ، لكن لاركوم قال إن من السابق لأوانه القول بالتأكيد. يريد هو وزملاؤه البحث عن هذا الارتفاع الغامض من الكالسيوم في القوارض ، في حال تم تجاوزه في بحث سابق. كما يأمل في التعاون في دراسات مماثلة في الرئيسيات لمعرفة ما إذا كانت الخصائص الكهربائية للتشعبات البشرية مماثلة لتلك الخاصة بأقاربنا التطوريين.
وقال ميهتا إنه من غير المحتمل أن تجعل هذه المسامير البشر مميزين أو أكثر ذكاء من الثدييات الأخرى. قد يكون أن الخاصية الكهربائية المكتشفة فريدة من نوعها للخلايا العصبية L2 / 3 في القشرة الدماغية البشرية ، حيث ينتج دماغ القوارض أيضًا مسامير محددة في مناطق معينة من الدماغ ، كما أضاف.
في بحث سابق ، وجد ميهتا أن التشعبات القوارض تولد أيضًا مجموعة واسعة من المسامير التي لا تزال وظيفتها الدقيقة غير معروفة. وقال إن الشيء المثير للاهتمام هو أن جزءًا صغيرًا فقط من هذه المسامير يؤدي في الواقع إلى رد فعل في جسم الخلية التي يتم توصيلها بها. في الخلايا العصبية القوارض ، ما يقرب من 90 في المائة من المسامير التغصنية لا تطلق إشارات كهربائية من جسم الخلية ، مما يشير إلى أن التشعبات في كل من القوارض والبشر قد يعالجون المعلومات بشكل مستقل ، بطرق لم نفهمها بعد.
ينبع الكثير من فهمنا للتعلم والذاكرة من البحث في النشاط الكهربائي المتولد في جسم الخلية العصبية وكابل الإخراج الخاص به ، المحور العصبي. لكن ميهتا قال إن هذه النتائج تشير إلى أنه "ربما تكون معظم المسامير في الدماغ تحدث في التشعبات". "هذه المسامير يمكن أن تغير قواعد التعلم."
ملاحظة المحرر: تم تحديث هذه القصة في 9 يناير لتوضيح بيان من الدكتور مايانك ميهتا حول ما إذا كانت الإشارة الكهربائية المكتشفة حديثًا قد تكون فريدة للبشر.
