خريطة ثلاثية الأبعاد لعينة دماغ بشري: تحليل مذهل وفهم جديد

تقديم مشروع خريطة الدماغ البشري

قبل عشر سنوات، تلقى الدكتور جيف ليشتمان - أستاذ البيولوجيا الجزيئية والخلوية في جامعة هارفارد - عينة صغيرة من الدماغ في مختبره.

وعلى الرغم من صغر حجمها، إلا أن المليمتر المكعب الواحد من الأنسجة كان كبيراً بما يكفي لاحتواء 57 ألف خلية و 230 مليمتراً من الأوعية الدموية و 150 مليون نقطة اشتباك عصبي.

وقال: "كان حجمها أقل من حبة أرز، لكننا بدأنا بتقطيعها والنظر إليها، وكانت جميلة حقاً". "ولكن بينما كنا نجمع البيانات، أدركت أنه كان لدينا أكثر بكثير مما يمكننا التعامل معه."

تحليل العينة： 300 مليون صورة

في نهاية المطاف، انتهى الأمر بليشتمان وفريقه إلى الحصول 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 تلك البيانات إلى أكثر خريطة تفصيلية لعينة من الدماغ البشري على الإطلاق.

جاءت عينة الدماغ من مريض مصاب بالصرع الشديد. وقال ليشتمان إن الإجراء المعتاد هو استئصال جزء صغير من الدماغ لإيقاف النوبات، ثم النظر إلى الأنسجة للتأكد من أنها طبيعية. وقال: "لكن العينة كانت مجهولة الهوية، لذا لم أكن أعرف شيئاً عن المريض، باستثناء عمره وجنسه".

ولتحليل العينة، قام ليشتمان وفريقه أولاً بتقطيعها إلى مقاطع رقيقة باستخدام سكين ذات حافة شفرة مصنوعة من الماس. ثم تم تضمين المقاطع بعد ذلك في مادة صمغية صلبة وتقطيعها مرة أخرى إلى شرائح رقيقة جداً. "حوالي 30 نانومتر، أو ما يقرب من 1,000 من سمك شعرة الإنسان. كانت غير مرئية تقريبًا، لولا أننا قمنا بتلوينها بالمعادن الثقيلة، مما جعلها مرئية عند إجراء التصوير الإلكتروني".

انتهى الفريق بعدة آلاف من الشرائح التي تم التقاطها بشريط مصنوع خصيصاً، مما أدى إلى تكوين ما يشبه شريطاً من الأفلام: "إذا التقطت صورة لكل مقطع من تلك المقاطع وقمت بمحاذاة تلك الصور، ستحصل على قطعة ثلاثية الأبعاد من الدماغ على المستوى المجهري."

وعندها أدرك الباحثون أنهم بحاجة إلى المساعدة في تخزين البيانات، لأن الصور الناتجة ستستغرق قدراً كبيراً من التخزين.

علم ليشتمان أن شركة جوجل كانت تعمل على خريطة رقمية لدماغ ذبابة الفاكهة، والتي صدرت في عام 2019، وكان لديها أجهزة الكمبيوتر المناسبة للمهمة. وتواصل مع فيرين جاين، وهو عالم أبحاث كبير في جوجل كان يعمل على مشروع ذبابة الفاكهة.

قال جاين: "كانت هناك 300 مليون صورة منفصلة (في بيانات هارفارد)". "ما يجعلها بيانات كثيرة جدًا هو أنك تقوم بالتصوير بدقة عالية جدًا، على مستوى المشبك العصبي الفردي. وفقط في تلك العينة الصغيرة من أنسجة الدماغ كان هناك 150 مليون نقطة اشتباك عصبي."

تقنيات التصوير والتخزين المستخدمة

ولفهم الصور، استخدم العلماء في Google المعالجة والتحليل القائم على الذكاء الاصطناعي، وحددوا نوع الخلايا الموجودة في كل صورة وكيفية اتصالها. وكانت النتيجة نموذجاً تفاعلياً ثلاثي الأبعاد لأنسجة الدماغ، وأكبر مجموعة بيانات على الإطلاق بهذه الدقة لبنية الدماغ البشري. وقد أتاحتها جوجل على الإنترنت باسم "Neuroglancer"، ونُشرت دراسة في مجلة Science في نفس الوقت، وكان ليشتمان وجاين من بين المؤلفين المشاركين في الدراسة.

أسفر التعاون بين فريقي هارفارد وجوجل عن صور ملونة تجعل المكونات الفردية أكثر وضوحاً، ولكنها بخلاف ذلك تمثل تمثيلاً صادقاً للأنسجة.

"وأوضح جاين قائلاً: "الألوان اعتباطية تماماً، ولكن بخلاف ذلك، لا يوجد الكثير من الرخصة الفنية هنا. فالمغزى من هذا كله هو أننا لا نختلقها - فهذه هي الخلايا العصبية الحقيقية، والأسلاك الحقيقية الموجودة في هذا الدماغ، ونحن في الحقيقة نجعلها ملائمة وسهلة الوصول لعلماء الأحياء لعرضها ودراستها."

احتوت البيانات على بعض المفاجآت. على سبيل المثال، بدلاً من تشكيل اتصال واحد، فإن أزواجاً من الخلايا العصبية لديها أكثر من 50 زوجاً من الخلايا العصبية. "هذا يشبه نوعًا ما لو كان هناك منزلان في مبنى واحد يربط بينهما 50 خطًا هاتفيًا منفصلًا. ما الذي يحدث هناك؟ لماذا هما متصلان بقوة؟ نحن لا نعرف ما هي وظيفة أو أهمية هذه الظاهرة حتى الآن، وسيتعين علينا دراستها بشكل أكبر."

في نهاية المطاف، يمكن أن تساعد مراقبة الدماغ بهذا المستوى من التفاصيل الباحثين في فهم الحالات الطبية التي لم يتم حلها، وفقًا لـ ليشتمان.

"ماذا يعني فهم دماغنا؟ قد يكون أفضل ما يمكننا القيام به هو وصفه، ونأمل أن يأتي من هذه الأوصاف إدراك، على سبيل المثال، حول كيفية اختلاف الأدمغة الطبيعية عن الأدمغة المضطربة، في الأمراض النفسية لدى البالغين أو اضطرابات النمو مثل طيف التوحد - سيكون هذا النوع من المقارنة قيماً للغاية". "في نهاية المطاف، سيعطينا ذلك بعض التبصر في ماهية الخلل، والذي ما زلنا في معظم الحالات نجهل ماهيته."

يعتقد ليشتمان أيضًا أن مجموعة البيانات قد تكون مليئة بتفاصيل أخرى مذهلة لم يتم اكتشافها بعد بسبب حجمها: وأضاف: "وهذا هو السبب في أننا نشاركها على الإنترنت، حتى يتمكن أي شخص من الاطلاع عليها والعثور على الأشياء".

يهدف الفريق الذي يقف وراء المشروع في المرحلة القادمة إلى إنشاء خريطة كاملة لدماغ الفأر، الأمر الذي سيتطلب ما بين 500 إلى 1000 ضعف كمية البيانات الموجودة في عينة الدماغ البشري.

وقال ليشتمان: "هذا يعني 1 إكسابايت، أي 1000 بيتابايت". "الكثير من الناس يفكرون بجدية في كيفية القيام بذلك، ونحن في السنة الأولى من إثبات المبدأ لمدة خمس سنوات. وأعتقد أن ذلك سيكون لحظة فاصلة في علم الأعصاب، أن يكون لدينا مخطط كامل لأسلاك دماغ الثدييات؛ سيجيب على الكثير والكثير من الأسئلة. وبالطبع، سيكشف عن العديد من المشاكل، أشياء لم نكن نتوقعها."

ماذا عن رسم خريطة للدماغ البشري بأكمله؟ أوضح ليشتمان أن ذلك سيكون أكبر بألف مرة أخرى، مما يعني أن البيانات ستصل إلى 1 زيتابايت. في عام 2016، كان هذا هو حجم حركة المرور على الإنترنت بالكامل خلال العام، وفقًا لشركة سيسكو. وقال ليشتمان إنه في الوقت الحالي، لن يكون من الصعب تخزين هذا القدر من البيانات فحسب، بل لن تكون هناك طريقة مقبولة أخلاقياً للحصول على دماغ بشري أصلي ومحفوظ بشكل جيد.

فتح آفاق جديدة في علم الأعصاب

أعرب الباحثون في نفس المجال الذين لم يشاركوا في هذا العمل عن حماسهم عندما اتصلت بهم شبكة سي إن إن للتعليق على الأمر.

"قال مايكل بينكوفسكي، الأستاذ المساعد في علم وظائف الأعضاء وعلم الأعصاب في كلية كيك للطب بجامعة جنوب كاليفورنيا: "هذه الدراسة رائعة، وهناك الكثير لنتعلمه من مثل هذه البيانات.

"إن الكثير مما نعتقد أننا نفهمه عن الدماغ البشري مستنبط من الحيوانات، لكن مثل هذه الأبحاث مهمة للغاية للكشف عما يجعلنا بشرًا حقًا. إن تصور الخلايا العصبية وخلايا الدماغ الأخرى يمثل تحديًا حقيقيًا بسبب كثافتها وتعقيدها الهائل، ومجموعة البيانات الحالية لا تلتقط الروابط بعيدة المدى".

"ما هي مناطق الدماغ الأخرى التي تنشأ منها هذه المدخلات، وأين تذهب المخرجات بمجرد خروجها من المنطقة؟ ولكن رؤية كل هذه الأنواع المختلفة من الخلايا وتفاعلاتها أمر لا يصدق ويجعلك تقدر ما قدمته لنا الحياة من تحفة معمارية رائعة."

ووافقه الرأي أندرياس تولياس، أستاذ طب العيون في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا. "قال: "هذه دراسة تقنية رائعة تعيد بناء بنية القشرة البشرية بدقة عالية. "لقد كنت متحمسًا بشكل خاص لاكتشاف محاور عصبية نادرة قادرة على تشكيل ما يصل إلى 50 نقطة اشتباك عصبي. هذا الاكتشاف مثير للاهتمام ويثير أسئلة مهمة حول أدوارها الحسابية."

وبحسب عالم الأعصاب أولاف سبورنس، فإن مشروع رسم خرائط الدماغ يفتح الباب أمام إجراء تحقيقات مستقبلية.

"يقول سبورنس، الأستاذ المتميز في العلوم النفسية والدماغية 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. إن رسم خرائط هذه الشبكة، أي شبكة الاتصال البشرية، أمر بالغ الأهمية لمعرفة كيفية عمل الدماغ"، مشيرًا إلى أن الدراسة تفتح آفاقًا جديدة نحو هذا الهدف المهم، وتوفر فرصًا جديدة ومثيرة للاستكشاف والاكتشاف.