علماء ينجحون في التنبؤ بنشاط الخلايا الدماغية
نجح فريق من العلماء والباحثين في الجمع بين قوة الذكاء الاصطناعي وشبكة الخلايا العصبية للتنبؤ بنشاط الخلايا الدماغية.
وباستخدام خرائط الاتصالات بين الخلايا العصبية وأساليب الذكاء الاصطناعي، أصبح بإمكان الباحثين الآن القيام بما لم يعتقدوا قط أنهم قادرون على فعله، وهو التنبؤ بنشاط الخلايا العصبية الفردية دون إجراء قياس واحد في الدماغ الحي.
قياس نشاط الخلايا العصبية
على مدى عقود من الزمان، أمضى علماء الأعصاب ساعات لا حصر لها في المختبرات يقيسون بدقة نشاط الخلايا العصبية في الحيوانات الحية لكشف الكيفية التي يعمل بها الدماغ على تمكين السلوك. وقد أسفرت هذه التجارب عن رؤى رائدة حول كيفية عمل الدماغ، ولكنها لم تخدش سوى السطح، وتركت الكثير من الدماغ دون استكشاف.
الآن، يستخدم الباحثون الذكاء الاصطناعي ومخططات الاتصال العصبي - وهي خريطة للخلايا العصبية واتصالاتها تم إنشاؤها من أنسجة المخ - للتنبؤ بدور الخلايا العصبية في الدماغ الحي. وقد نُشرت ورقتهم البحثية في مجلة Nature.
وباستخدام معلومات فقط حول اتصال الدائرة العصبية المأخوذة من شبكة الاتصال العصبية للنظام البصري لذبابة الفاكهة وتخمين ما يفترض أن تفعله الدائرة، أنشأ الباحثون محاكاة للذكاء الاصطناعي للنظام البصري لذبابة الفاكهة يمكنها التنبؤ بنشاط كل خلية عصبية في الدائرة.
يقول سريني توراجا، قائد مجموعة جانيليا والمؤلف الرئيسي للبحث الجديد: "لدينا الآن طريقة حسابية لتحويل قياسات الشبكة العصبية إلى تنبؤات بالنشاط العصبي ووظيفة المخ، دون البدء أولًا بقياسات النشاط العصبي لكل خلية عصبية يصعب الحصول عليها".
استخدم فريق العلماء من حرم أبحاث جانيليا التابع لمعهد هوارد هيوز الطبي وجامعة توبنغن مخطط الشبكة العصبية لبناء محاكاة شبكية ميكانيكية عميقة مفصلة للنظام البصري للذبابة، حيث يتوافق كل عصبون ومشبك في النموذج مع عصبون ومشبك حقيقيين في الدماغ.
ورغم أنهم لم يكونوا على علم بديناميكيات كل خلية عصبية ومشبك عصبي، فإن البيانات المستمدة من مخطط الشبكة العصبية سمحت للفريق باستخدام أساليب التعلم العميق لاستنتاج هذه المعلمات غير المعروفة. ودمجوا هذه المعلومات مع المعرفة المتعلقة بهدف الدائرة: اكتشاف الحركة.
يقول جان لابالاينن، طالب الدكتوراه في جامعة توبنجن الذي قاد البحث: "في تلك المرحلة، أصبح كل شيء في مكانه الصحيح، وأخيرًا تمكنا من معرفة ما إذا كان هذا النموذج المقيد بالشبكة العصبية يمنحنا نموذجًا جيدًا للدماغ".
يتنبأ النموذج الجديد بالنشاط العصبي الذي تنتجه 64 نوعًا من الخلايا العصبية في النظام البصري لذبابة الفاكهة استجابةً للمدخلات البصرية، ويعيد إنتاج أكثر من عشرين دراسة تجريبية أجريت على مدى العقدين الماضيين بدقة.
ومن خلال تمكين الباحثين من التنبؤ بنشاط الخلايا العصبية الفردية باستخدام مخططات الاتصال العصبي فقط، فإن العمل الجديد لديه القدرة على تحويل الطريقة التي يستخدمها علماء الأعصاب لتوليد واختبار الفرضيات حول كيفية عمل الدماغ. ومن حيث المبدأ، يمكن للعلماء الآن استخدام النموذج لمحاكاة أي تجربة وتوليد تنبؤات مفصلة يمكن اختبارها في المختبر.
ويقدم البحث الجديد أكثر من 450 صفحة من التوقعات المستمدة من النموذج الجديد، بما في ذلك تحديد الخلايا التي لم يكن معروفًا سابقًا أنها تشارك في اكتشاف الحركة، والتي يمكن الآن فحصها في الذباب الحي.
ويوفر عمل المجموعة استراتيجية لتحويل ثروة بيانات التوصيلات العصبية التي يتم إنشاؤها بواسطة جانيليا ومؤسسات بحثية أخرى إلى فهم متقدم للدماغ الحي، وفقًا للباحثين.
يقول جاكوب ماكي، أحد كبار مؤلفي البحث وأستاذ في جامعة توبنغن: "هناك فجوة كبيرة بين الصورة الثابتة للشبكة العصبية وديناميكيات الحوسبة في الحياة الواقعية في الدماغ الحي، وكان السؤال هو، هل يمكننا سد هذه الفجوة في نموذج؟ تُظهر هذه الورقة، بالنسبة للمثال المحدد لذبابة الفاكهة، استراتيجية لسد هذه الفجوة".
