خريطة ثلاثية الأبعاد تكشف أسرار دماغ الفأر

تقدم العلماء في أبحاث الدماغ

باستخدام ذرة من المادة الدماغية لفأر بحجم حبة الرمل، ابتكر العلماء أول خريطة دقيقة ثلاثية الأبعاد لدماغ الثدييات.

تفاصيل الخريطة ثلاثية الأبعاد

وتوضح الخريطة بالتفصيل شكل ووظيفة ونشاط 84,000 خلية عصبية، وهي هياكل متفرعة تطلق رسائل عبر ذراع طويلة تسمى المحور العصبي، ثم عبر أكثر من 500 مليون نقطة اشتباك عصبي، بالإضافة إلى 200,000 خلية دماغية. احتوت القطعة الصغيرة من الأنسجة على 3.4 ميل (5.4 كيلومتر) من الأسلاك العصبية - أي ما يقرب من مرة ونصف طول حديقة سنترال بارك في مدينة نيويورك.

فريق البحث والتعاون العلمي

وقد جاء هذا العمل تتويجاً لما يقرب من عقد من الزمن من الأبحاث التي أجراها 150 عالماً في 22 مؤسسة بقيادة معهد ألين لعلوم الدماغ وكلية بايلور للطب وجامعة برينستون.

قال الدكتور فوريست كولمان، المدير المساعد للبيانات والتكنولوجيا في معهد ألين، في مقطع فيديو نشرته المنظمة: "أحد النتائج الثانوية لهذا المشروع بأكمله يوضح لنا مدى جمال الدماغ بشكل لا يصدق".

وأضاف: "إن مجرد النظر إلى هذه الخلايا العصبية يظهر لك تفاصيلها وحجمها بطريقة تجعلك تقدّر الدماغ بشعور من الرهبة بالطريقة التي تنظر بها إلى صورة لمجرة بعيدة جدًا جدًا."

البيانات الضخمة الناتجة عن المشروع

وتمثل الخريطة المذهلة 1/500 فقط من الحجم الكامل لدماغ الفأر، ومع ذلك فقد انتهى الفريق إلى الحصول على 1.6 بيتابايت من البيانات - وهي كمية مذهلة تعادل 22 عاماً من الفيديو عالي الدقة دون توقف، وقد أتاح المشروع المعروف باسم برنامج الذكاء الآلي من الشبكات القشرية (MICrONS) للجمهور.

وصف الباحثون العمل في عدة أوراق بحثية نُشرت في مجلة Nature في 9 أبريل.

{{MEDIA}}

ولإعداد الخريطة، بدأ العلماء في كلية بايلور للطب في هيوستن باستخدام مجاهر متخصصة لتسجيل نشاط الدماغ في جزء من الأنسجة يبلغ حجمه 1 مليمتر مكعب في القشرة البصرية لفأر المختبر - حيث يعالج الحيوان ما يراه - على مدار بضعة أيام.

وقد حرص الباحثون على أن يكون الفأر مستيقظاً ومحفزاً بصرياً أثناء التصوير من خلال جعل الحيوان يركض على جهاز المشي ومشاهدة مشاهد مدتها 10 ثوانٍ من أفلام مختلفة، بما في ذلك فيلم "ماتريكس" وفيلم "ماد ماكس: طريق الغضب". كما كانت مقاطع يوتيوب للرياضات الخطرة مثل موتوكروس والزحافات والقفز من القاعدة جزءًا من تناوب المشاهدة، وفقًا لبيان صحفي صادر عن جامعة برينستون.] (https://www.princeton.edu/news/2025/04/09/first-time-scientists-map-half-billion-connections-allow-mice-see)

بعد ذلك، وبعد القتل الرحيم للفأر، أخذ باحثون من معهد ألين في سياتل نفس المليمتر المكعب من الدماغ وقاموا بتقطيعه إلى أكثر من 28,000 طبقة، كل منها 1/400 عرض شعرة الإنسان، والتقطوا صورًا لكل شريحة على طول الطريق. ثم أعادوا بناء الصور في صورة مركبة.

وقال الدكتور نونو ماساريكو دا كوستا، الباحث المشارك في معهد ألين: "استغرقنا ذلك حوالي 12 يوماً و 12 ليلة مع الفريق الذي كان يتناوب على مدار الساعة؛ ليس لأننا كنا نقطعها يدوياً، بل لأنها آلة آلية."

"كنا بحاجة إلى أن نكون هناك للتوقف في أي وقت إذا اعتقدنا أننا سنفقد 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".

بعد ذلك، قام فريق في جامعة برينستون في نيوجيرسي بنشر أدوات التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لتتبع محيط كل خلية عصبية عبر الشرائح، وتلوين الخلايا العصبية لإلقاء الضوء عليها بشكل فردي في عملية تسمى التجزئة. يتم التحقق من صحة المعلومات التي تم إنشاؤها بواسطة الذكاء الاصطناعي أو تدقيقها من قبل العلماء المعنيين، وهي عملية لا تزال مستمرة.

وقد تُوِّج هذا العمل برؤية موحدة لما يسميه العلماء "كونكتوم" دماغ الفأر الذي يوضح كيفية تنظيم أجزاء معينة من دماغ الفأر ويقدم نظرة ثاقبة حول كيفية عمل أنواع الخلايا المختلفة معًا.

يقول الدكتور سيباستيان سيونغ، أستاذ إيفنين في علم الأعصاب بجامعة برينستون وأستاذ علوم الحاسوب: "إن "الكونيكتوم" هو بداية التحول الرقمي لعلوم الدماغ.

"من خلال بضع ضغطات على المفاتيح يمكنك البحث عن المعلومات والحصول على النتائج في ثوانٍ. بعض هذه المعلومات كانت ستستغرق أطروحة دكتوراه كاملة للحصول عليها من قبل. وهذه هي قوة التحول الرقمي." قال في بيان صحفي.

{{MEDIA}}

لطالما اعتُبر رسم خرائط الدماغ بهذه الطريقة تحديًا مستحيلًا. فقد أشار عالم الأحياء الجزيئية فرانسيس كريك، الحائز على جائزة نوبل لوصفه بنية الحمض النووي، إلى أن علماء الأعصاب لن يتمكنوا أبدًا من تحقيق مثل هذا الفهم التفصيلي للدماغ.

وكتب في مجلة Scientific American في عام 1979: "لا فائدة من طلب المستحيل، مثل الرسم البياني الدقيق لأسلاك ملليمتر مكعب من أنسجة الدماغ وطريقة إطلاق جميع خلاياه العصبية".

ويعتمد "كونكتوم" دماغ الفأر على عمل مماثل على مخلوقات أصغر حجمًا: تم الانتهاء من توصيل دودة الديدان الخيطية C. elegans في عام 2019، وكشف العلماء عن خريطة لجميع الخلايا العصبية لدماغ ذبابة الفاكهة في عام 2024..

قال الباحثون إن المليمتر المكعب الواحد من دماغ الفأر أكبر بحوالي 20 مرة من دماغ ذبابة الفاكهة الكامل، وأكثر تعقيدًا بكثير. ومع ذلك، فإن الهدف هو التمكن من رسم خريطة لدماغ الفئران بالكامل في المستقبل القريب.

"أعتقد أن الإجابة في الوقت الحالي هي لا، ليس ممكناً، ولكن أعتقد أن الجميع لديه أفكار واضحة حقاً حول كيفية اختراق هذه الحواجز. نحن نأمل في غضون ثلاث أو أربع سنوات، يمكننا أن نقول، نعم، هذا ممكن." قال كولمان لشبكة CNN.

ومع ذلك، فقد قال إن رسم خرائط الدماغ البشري لرسم خرائط الدماغ البشري بدقة متشابكة مماثلة سيكون مسعى أكثر صعوبة بشكل كبير. وقال: "إن دماغ الإنسان أكبر من دماغ الفأر بعامل 1500 أو نحو ذلك من دماغ الفأر، وهذا يجلب مجموعة كاملة ... من العوائق التقنية والأخلاقية للقيام بذلك".

ومع ذلك، قد يكون من الممكن تتبع المحاور العصبية في جميع أنحاء الدماغ البشري، إن لم يكن الوصلات المشبكية، كما أضاف الدكتور كلاي ريد، وهو باحث أول في علوم الدماغ في معهد ألين.

"إن احتمالية إعادة بناء الدماغ البشري بأكمله على مستوى جميع الوصلات العصبية هو أمرٌ للمستقبل البعيد."

أهمية القشرة المخية في الأبحاث

قالت الدكتورة مارييلا بيتكوفا، وهي باحثة مشاركة، والدكتور غريغور شوكنيخت، زميل ما بعد الدكتوراه، وكلاهما في قسم البيولوجيا الجزيئية والخلوية في جامعة هارفارد، إن القشرة المخية الحديثة مثيرة للاهتمام بشكل خاص للدراسة، لأن هذه المنطقة من الدماغ هي ما يميز أدمغة الثدييات عن أدمغة الفقاريات الأخرى. لم تشارك بيتكوفا وشوكنخت في إنشاء خريطة دماغ الفأر.

"ركز الباحثون على هذه المنطقة لأنها تعتبر بشكل عام مقر الإدراك الأعلى وتلعب دورًا رئيسيًا في الإدراك الحسي ومعالجة اللغة والتخطيط واتخاذ القرارات"، كتبا في مقال نُشر مع البحث.

{{MEDIA}}

"من اللافت للنظر أن هذه الوظائف التي تبدو مختلفة أصبحت ممكنة من خلال مخطط يمكن العثور عليه، مع بعض التعديلات، في جميع المناطق القشرية وفي جميع الثدييات."

تُستخدم الفئران المخبرية بالفعل على نطاق واسع لفهم الأمراض البشرية، وسيوفر فهم أفضل لشكل دماغ الفأر ووظيفته إمكانيات جديدة لدراسة اضطرابات الدماغ البشري مثل الزهايمر وباركنسون والتوحد والفصام التي تنطوي على اضطرابات في التواصل العصبي.

وقال دا كوستا في بيان صحفي: "إذا كان لديك جهاز راديو معطل ولديك مخطط الدائرة الكهربائية، فستكون في وضع أفضل لإصلاحه". "نحن نصف نوعًا من خريطة جوجل أو مخططًا لحبة الرمل هذه. في المستقبل، يمكننا استخدام هذا لمقارنة الأسلاك الدماغية في الفأر السليم بالأسلاك الدماغية في نموذج المرض."