نموذج جديد للتنبؤ بنمو الدماغ

منذ الأسابيع الأولى من الحياة، يتم تكوين عدد لا يحصى من الروابط بين الخلايا العصبية لضمان انتشار الإشارات العصبية.

تشكل هذه الروابط تدريجيًا البنية النهائية للدماغ، والمعروفة باسم الشبكة العصبية.

إن قدرتنا على أداء المهام المعرفية المعقدة، مثل التوجه المكاني أو حل المشكلات، تتوقف على بنيتها، ولكن كيف تظهر أثناء التطوير؟

في معهد باريس للدماغ، قدم فيتو ديتشيو وفابريزيو دي فيكو فالاني نموذجًا حاسوبيًا يكرر مسار توصيلات الدماغ في دودة C. elegans. وفي نهاية المطاف، يأملون في تطبيق هذا النموذج الجديد، الموصوف في رسائل المراجعة الفيزيائية، على الأنواع الأخرى، بما في ذلك البشر، وفقا لما تم نشره في موقع ميديكال إكسبريس.

أهمية الشبكة العصبية

في الكائنات الحية ذات الجهاز العصبي، أي معظم الأنواع الحيوانية، تعد الشبكة العصبية، وهي الشبكة التي تتكون من جميع الروابط التي تربط الخلايا العصبية ببعضها البعض، عنصرًا حاسمًا في الأداء السليم للدماغ، وهي ضرورية لدمج المعلومات من البيئة وظهور الوظائف المعرفية الأساسية، مثل الانتباه أو الذاكرة.

عندما تتضرر بسبب الإصابة، بعد السكتة الدماغية، على سبيل المثال، تتأثر وظيفة الدماغ أيضًا.

قال فابريزيو دي فيكو فالاني: «تختلف خريطة الشبكة العصبية بين الأنواع، التي تحتوي على عدد أكبر أو أقل من الخلايا العصبية، والأفراد، ويمكنها أيضًا إعادة تنظيم نفسها طوال الحياة للتعويض عن بعض أوجه القصور: وتسمى هذه القدرة لدونة الدماغ».

ومع ذلك، فإن تكوين الروابط العصبية أثناء نمو الدماغ ليس عشوائيًا تمامًا، إنه يتبع قواعد مشفرة وراثيا ويسترشد بالاختيار: يحتفظ الجسم بالوصلات التي تسمح للدماغ بالعمل بشكل صحيح.

ويحاول الفريق وصف هذه القواعد التنظيمية رياضيًا، وهي نتاج ملايين السنين من التطور، ومحاكاتها في نموذج لتطور الدماغ.

العثور على قوانين الأسلاك الدماغية

وقال فيتو ديتشيو، المؤلف الأول للورقة: «نحن نستخدم العديد من الكائنات الحية النموذجية لدراسة الشبكة العصبية، مثل الديدان الخيطية وذبابة الفاكهة، هذه الأنواع مفيدة للغاية: فهي تحتوي على عدد صغير من الخلايا العصبية، بين عشرات ومئات الآلاف، مما يسمح لنا برسم خريطة دقيقة لخلاياها العصبية، والروابط العصبية في مراحل مختلفة من التطور».

وأضاف: «في هذه الدراسة، استخدمنا الشبكة العصبية لدودة C. elegans، التي يحتوي دماغها على حوالي 180 خلية عصبية».

ولمحاكاة نمو دماغ الدودة، استخدم الباحثون نموذجًا يعتمد على ديناميكيات «الاستكشاف والاستغلال»، أي مزيج من الاستكشاف العشوائي للاتصالات العصبية الجديدة واستغلال الاتصالات الأكثر قابلية للحياة لدعم الوظيفة الإدراكية.

بعد تحديد الحالة النهائية للشبكة العصبية البالغة في الدودة، أي الخصائص العصبية المثالية للحيوان القادر على الحركة والتغذية والتكاثر، سمحوا للخوارزمية الخاصة بهم بالبحث عن مسار النمو الذي من شأنه أن يؤدي، خطوة بخطوة، إلى هذه النتيجة.

يوضح فيتو ديتشيو: «في كل محاكاة، كان مسار تطور الديدان الخيطية الافتراضية لدينا مختلفًا قليلا، ومع ذلك، في المتوسط، أعاد تكوين الشبكة العصبية إنتاج نفس المراحل الوسيطة التي لوحظت بيولوجيًا في تطور دماغ الدودة، وبالنسبة لنا، يعد هذا دليلًا إضافيًا على أن توصيلات الدماغ تتبع قواعد رياضية بسيطة للغاية، والتي مع ذلك هي أصل المشكلة، التعقيد الاستثنائي للجهاز العصبي».

لكن هل هذه القواعد البسيطة عالمية؟ ويضيف الباحث:  «لمعرفة ذلك، سيتعين علينا اختبار هذا النموذج على الشبكة العصبية للأنواع الأخرى، مثل الذباب والفئران وسمك الزرد، وفي النهاية على البشر».

التنبؤ بمسار التنمية الأمثل

في الواقع، إذا كان لدينا قاعدة بيانات كاملة للشبكة العصبية البشرية، وإذا كان هذا النموذج يصمد أمام اختبار الاختبارات المتعاقبة في الأنواع المختلفة، فقد يساعد الباحثين على تحديد المسار التنموي الأمثل لدماغ سليم.

وفي المستقبل القريب، يمكن أيضًا تطبيق النموذج على مرونة الدماغ للتنبؤ بتعافي المرضى من السكتة الدماغية وتوجيهه من خلال التقنيات التداخلية، مثل التحفيز العميق للدماغ.