قام فريق بقيادة علماء من جامعة هارفارد وجوجل بإنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد بدقة نانوية لمليمتر مكعب واحد من الدماغ البشري. وعلى الرغم من أن الخريطة لا تغطي سوى جزء صغير من العضو – الدماغ بأكمله أكبر بمليون مرة – إلا أن هذا الجزء يحتوي على ما يقرب من 57000 خلية، وحوالي 230 ملم من الأوعية الدموية، وما يقرب من 150 مليون مشبك عصبي. وهي حاليا الصورة الأعلى دقة للدماغ البشري التي تم إنشاؤها على الإطلاق.
ولصنع خريطة بهذا التفصيل الدقيق، كان على الفريق تقطيع عينة الأنسجة إلى 5000 شريحة ومسحها ضوئيًا باستخدام مجهر إلكتروني عالي السرعة. ثم استخدموا نموذجًا للتعلم الآلي للمساعدة في تجميع الشرائح معًا إلكترونيًا وتسمية الميزات. استهلكت مجموعة البيانات الأولية وحدها 1.4 بيتابايت. يقول مايكل هوريليتش، عالم الأعصاب الحسابي في معهد ألين لعلوم الدماغ، والذي لم يشارك في البحث: «ربما يكون هذا العمل هو الأكثر استخدامًا للحاسوب في علم الأعصاب بأكمله». “هناك قدر هائل من العمل المتضمن.”
توجد العديد من أطالس الدماغ الأخرى، لكن معظمها يوفر بيانات ذات دقة أقل بكثير. على مقياس النانو، يمكن للباحثين تتبع توصيل الخلايا العصبية في الدماغ لكل خلية عصبية في كل مرة إلى المشابك العصبية، وهي الأماكن التي تتصل بها. يقول فيرين جاين، عالم أبحاث كبير في جوجل ومؤلف مشارك في الورقة: “لكي نفهم حقًا كيف يعمل الدماغ البشري، وكيف يعالج المعلومات، وكيف يخزن الذكريات، سنحتاج في النهاية إلى خريطة بهذه الدقة”. نشرت في علوم في 9 مايو. كانت مجموعة البيانات نفسها ونسخة ما قبل الطباعة من هذه الورقة صدر في عام 2021.
أطالس الدماغ تأتي في أشكال عديدة. يكشف البعض عن كيفية تنظيم الخلايا. ويغطي البعض الآخر التعبير الجيني. يركز هذا المجال على الاتصالات بين الخلايا، وهو مجال يسمى “علم الاتصال”. تحتوي الطبقة الخارجية للدماغ على ما يقرب من 16 مليار خلية عصبية ترتبط مع بعضها البعض لتشكل تريليونات من الوصلات. قد تتلقى خلية عصبية واحدة معلومات من مئات أو حتى آلاف الخلايا العصبية الأخرى وترسل معلومات إلى عدد مماثل. وهذا يجعل تتبع هذه الروابط مهمة معقدة للغاية، حتى في جزء صغير من الدماغ.
لإنشاء هذه الخريطة، واجه الفريق عددًا من العقبات. كانت المشكلة الأولى هي العثور على عينة من أنسجة المخ. يتدهور الدماغ بسرعة بعد الموت، لذلك لا تعمل أنسجة الجثث. وبدلاً من ذلك، استخدم الفريق قطعة من الأنسجة تمت إزالتها من امرأة مصابة بالصرع أثناء جراحة الدماغ والتي كان من المفترض أن تساعد في السيطرة على نوباتها.
بمجرد حصول الباحثين على العينة، كان عليهم حفظها بعناية في مادة صمغية حتى يمكن تقطيعها إلى شرائح، يبلغ سمك كل منها حوالي جزء من الألف من سمك شعرة الإنسان. ثم قاموا بتصوير المقاطع باستخدام مجهر إلكتروني عالي السرعة مصمم خصيصًا لهذا المشروع.
بعد ذلك جاء التحدي الحسابي. يقول جاين: “لديك كل هذه الأسلاك التي تعبر كل مكان في ثلاثة أبعاد، مما يؤدي إلى إنشاء جميع أنواع الاتصالات المختلفة”. استخدم فريق جوجل نموذجًا للتعلم الآلي لربط الشرائح معًا مرة أخرى، ومحاذاة كل شريحة مع الأخرى، وترميز الأسلاك بالألوان، والعثور على الاتصالات. وهذا أصعب مما قد يبدو. يقول جاين: “إذا ارتكبت خطأً واحدًا، فإن جميع التوصيلات المتصلة بهذا السلك أصبحت الآن غير صحيحة”.
يقول سيث أيمنت، عالم الأعصاب في جامعة ميريلاند: «إن القدرة على إجراء إعادة بناء عميقة لأي عينة من الدماغ البشري تعد تقدمًا مهمًا». والخريطة هي “الأقرب إلى الحقيقة على الأرض التي يمكننا الحصول عليها الآن”. لكنه يحذر أيضًا من أنها عينة دماغية واحدة مأخوذة من فرد واحد.
الخريطة متاحة مجانًا على منصة ويب تسمى نيوروجلانسر، من المفترض أن يكون مصدرًا يمكن للباحثين الآخرين استخدامه لتحقيق اكتشافاتهم الخاصة. “الآن يمكن لأي شخص مهتم بدراسة القشرة البشرية بهذا المستوى من التفاصيل أن يخوض في البيانات بنفسه. يقول جاين: “يمكنهم تدقيق هياكل معينة للتأكد من صحة كل شيء، ومن ثم نشر النتائج التي توصلوا إليها”. (تم الاستشهاد بالطبعة الأولية على الأقل 136 مرة.)
لقد حدد الفريق بالفعل بعض المفاجآت. على سبيل المثال، شكلت بعض المحلاق الطويلة التي تحمل الإشارات من خلية عصبية إلى أخرى “زهرات”، وهي بقع تدور حول نفسها. تشكل المحاور عادة مشبكًا عصبيًا واحدًا لنقل المعلومات إلى الخلية التالية. حدد الفريق محاور عصبية مفردة تشكل اتصالات متكررة، وفي بعض الحالات، 50 مشبكًا عصبيًا منفصلاً. يقول جاين إن سبب ذلك ليس واضحًا بعد، لكن الروابط القوية يمكن أن تساعد في تسهيل ردود الفعل السريعة أو القوية جدًا لمحفزات معينة. ويقول: “إنها نتيجة بسيطة جدًا حول تنظيم القشرة الدماغية البشرية”. لكن “لم نكن نعرف هذا من قبل لأنه لم تكن لدينا خرائط بهذا الدقة”.
يقول جيف ليشتمان، عالم الأعصاب بجامعة هارفارد، الذي ساعد في قيادة البحث، إن مجموعة البيانات كانت مليئة بالمفاجآت. “كان هناك الكثير من الأشياء التي لا تتوافق مع ما يمكن أن تقرأه في الكتاب المدرسي.” قد لا يكون لدى الباحثين تفسيرات لما يرونه، ولكن لديهم الكثير من الأسئلة الجديدة: “هذه هي الطريقة التي يتقدم بها العلم إلى الأمام”.
التصحيح: بسبب خطأ في النسخ، أشار اقتباس من Viren Jain إلى كيفية “تصدير” الدماغ للذكريات. لقد تم تحديثه ليعكس أنه كان يتحدث عن كيفية “تخزين” الدماغ للذكريات.