خريطة جديدة تكشف أسرار نشاط الدماغ أثناء القرار

تضافرت جهود علماء الأعصاب من 22 مختبرًا في شراكة دولية غير مسبوقة لإنتاج إنجاز تاريخي: خريطة عصبية تُظهر النشاط عبر الدماغ بأكمله أثناء اتخاذ القرار.

وتشمل البيانات، التي جُمعت من 139 فأراً، نشاط أكثر من 600,000 خلية عصبية في 279 منطقة من الدماغ أي حوالي 95% من دماغ الفأر. هذه الخريطة هي الأولى من نوعها التي تقدم صورة كاملة لما يحدث في الدماغ أثناء اتخاذ القرار.

وقال الدكتور بول دبليو غليمشر، رئيس قسم علم الأعصاب وعلم وظائف الأعضاء ومدير معهد علم الأعصاب في كلية غروسمان للطب بجامعة نيويورك، عن الباحثين: "لقد أنشأوا أكبر مجموعة بيانات تخيلها أي شخص على الإطلاق بهذا الحجم."

وقال غليمشر، الذي لم يشارك في البحث الجديد: "سيُسجّل هذا الأمر في التاريخ كحدث كبير في مجال علم الأعصاب".

ولإنشاء الخريطة، أنشأ الباحثون أولاً إجراءً موحداً يمكن مشاركته بين المختبرات، ثم تتبعوا النشاط العصبي لدى الفئران أثناء استجابة القوارض للمحفزات البصرية، ودمجوا جميع البيانات التي جمعها كل مختبر. استغرق العمل على هذه الخريطة سبع سنوات وعُرضت في دراستين، ونُشرت النتائج في 3 سبتمبر في مجلة Nature.

قال ألكسندر بوجيه، الأستاذ المتفرغ في علم الأعصاب الأساسي في جامعة جنيف: "هناك نتيجتان كبيرتان بشكل أساسي، ولهذا السبب لدينا ورقتان". إحدى الدراستين أوضحت التوزيع الواسع النطاق للنشاط الكهربائي المرتبط باتخاذ القرار. الأخرى استخدمت البيانات لتقييم كيفية تشكيل التوقعات للخيارات. بوغيت هو مؤلف مشارك في الدراسة الأولى وكبير مؤلفي الدراسة الثانية.

وقال: "لقد بدأنا من الصفر". "لم يحاول أحد من قبل القيام بشيء كهذا من قبل."

اقترحت الأبحاث السابقة أن مجموعات صغيرة من الخلايا العصبية تنطلق في بعض أجزاء الدماغ فقط أثناء اتخاذ القرار، ومعظمها في المناطق المتعلقة بالمدخلات الحسية والإدراك. لكن الخريطة الجديدة تكشف أن النشاط العصبي أكثر انتشارًا بكثير، حيث تنبض الإشارات الكهربائية في جميع أنحاء دماغ الفأر تقريبًا خلال مراحل مختلفة من عملية اتخاذ القرار.

النشاط العصبي أكثر انتشارًا بكثير مما كان يُعتقد سابقًا، حيث تنتشر الإشارات الكهربائية في حوالي 95% من دماغ الفأر خلال مراحل مختلفة من عملية اتخاذ القرار.

من خلية عصبية واحدة إلى الآلاف في آن واحد

على مدى عقود، درس العلماء نشاط الدماغ خلال مهام معينة باستخدام أقطاب كهربائية تسجل النبضات الكهربائية من خلية عصبية واحدة. إلا أن تسجيل خلية عصبية واحدة في كل مرة أمر صعب وبطيء؛ حيث إن عدة أشهر من العمل قد تؤدي إلى نتائج من حوالي 100 خلية عصبية، مما يجعل هذه التقنية الأنسب لدراسة المناطق المستهدفة للغاية في الدماغ.

على مدى العقد الماضي، قفز علم الأعصاب قفزة عملاقة إلى الأمام مع تطوير مجسات عصبية رقمية تسمى نيوروبكسلز، والتي يمكنها مراقبة آلاف الخلايا العصبية في وقت واحد. كانت هذه الأقطاب الحساسة أداة أساسية لإنشاء الخريطة الجديدة.

يقول بوغيت: "لقد انتقلنا من النظر إلى بضع مئات من الخلايا العصبية في منطقة واحدة إلى 600,000 خلية عصبية في جميع مناطق الدماغ".

في التجارب، ارتدت الفئران خوذات الأقطاب الكهربائية أثناء تدوير عجلة قيادة صغيرة للتحكم في حركة دائرة مخططة بالأبيض والأسود على شاشة. وظهرت الدائرة لفترة وجيزة إما على الجانب الأيسر أو الجانب الأيمن من الشاشة، وحصلت الفئران التي نجحت في توجيه الدائرة إلى المركز على مكافأة من الماء المسكر. وعندما استجابت الفئران لما رأته، سجلت مجسات نيوروبكسلز إشارات كهربائية في أدمغتها.

ووفقاً للخريطة، ارتفع النشاط أولاً نحو الجزء الخلفي من الدماغ، في المناطق التي تعالج المدخلات البصرية. ثم انتشر النشاط بعد ذلك عبر الدماغ، مع إضاءة مناطق التحكم الحركي عندما بلغ قرار الفأر ذروته في الحركة. تبع ذلك نشاط دماغي واسع النطاق عندما حصل الفأر على المكافأة السكرية.

وقال بوغيت: "لا يقتصر الأمر على عدد قليل من المناطق المتورطة في ذلك، بل شبكة كبيرة جدًا من المناطق التي تعمل معًا". أفاد مؤلفو الدراسة أن معرفة مقدار مشاركة الدماغ في القرارات سيساعد الباحثين على إجراء دراسات أكثر استهدافًا للسلوك المعقد.

أدرج الباحثون أيضًا تحديًا إضافيًا للفئران. في بعض الأحيان كانت الدائرة باهتة أو غير مرئية تقريبًا. ولكي يقرر الفأر الطريقة التي سيدير بها العجلة للحصول على المكافأة، كان على الفأر أن يتذكر ما رآه خلال المحاولات السابقة.

قال بوجيه: "هذا ما يسمى بالمعرفة المسبقة". "كل قرار تتخذه يتم اتخاذه بهذه الطريقة."

وقد افترض علماء الأعصاب في السابق أن الدماغ يصل إلى المعرفة المسبقة في وقت مبكر من عملية اتخاذ القرار، "بحيث أنه بمجرد أن تبدأ في معالجة المحفز الحسي، فإنك تقوم بذلك في سياق ما تتوقعه"، كما قال بوجيه.

وأشار إلى أن خريطة الدماغ أثبتت صحة هذا التوقع.

"مسح سلون الرقمي للسماء للدماغ"

وكما غيّر التعاون الدولي واسع النطاق في تخصصات أخرى كيفية إجراء العلوم، فإن نطاق العمل الذي أنتج خريطة نشاط الدماغ هو تغيير لقواعد اللعبة في علم الأعصاب، كما قال غليمشر.

وقال: "تقليديًا، كانت العلوم البيولوجية علمًا خاصًا بكل مختبر على حدة"، على عكس التعاون متعدد المختبرات الذي يحدث غالبًا في الفيزياء وعلم الفلك. ومن الأمثلة البارزة على ذلك مسح سلون الرقمي للسماء، الذي يشارك فيه مئات من علماء الفيزياء الفلكية والفلكيين وأنتج أكثر الخرائط ثلاثية الأبعاد تفصيلاً للكون على الإطلاق، والتي تشمل أكثر من ثلث السماء ليلاً.

وقال جليمشر: "أحدث مسح سلون الرقمي للسماء ثورة في الطريقة التي نجمع بها البيانات الفلكية ونوزعها على علماء الفيزياء الفلكية". كانت رؤية المنظمة البحثية التي تقف وراء خريطة الدماغ المختبر الدولي للدماغ "هي بناء مسح سلون الرقمي للسماء للدماغ."

وأضاف بوغيت، وهو أحد مؤسسي المختبر الدولي للدماغ، أن هذه الخريطة ستكون الأولى من بين العديد من عمليات التعاون واسعة النطاق بين علماء الأعصاب: "نحن نأمل حقًا أن يلهم هذا الأمر مجموعات أخرى لبدء العمل بهذا النوع من النهج."