يبدو أن كود الدماغ في حالة تغير مستمر. علماء الأعصاب في حيرة من أمرهم

من المسلمات في علم الأعصاب أن بعض خلايا الدماغ تستجيب بنفس الطريقة لنفس الشيء. على سبيل المثال، تنشط خلايا عصبية محددة دائمًا عندما نرى أشكالًا وألوانًا معينة؛ وتنشط الخلايا العصبية الأخرى لتتأرجح بذراعها أو تهز أنفها. وتذهب النظرية إلى أن الدماغ يحتاج إلى هذا الاستقرار للاستجابة للعالم الخارجي بطريقة متسقة.

لذلك، عندما بدأت عالمة الأعصاب لورا دريسكول بحث الدكتوراه في جامعة هارفارد في كامبريدج، ماساتشوستس في عام 2012، كانت مهمتها الأولى هي تحديد خط الأساس هذا من خلال تتبع نشاط الخلايا العصبية الفردية للفأر مع مرور الوقت.

أدمغة “الشيخوخة الفائقة” هي منتج قوي للخلايا العصبية الجديدة

لمفاجأة دريسكول، استمر خط الأساس في التحرك. وعلى مدار عدة أيام، تغيرت استجابات العديد من الخلايا بشكل ملحوظ. الخلايا العصبية التي انطلقت عندما كان الفأر في مكان محدد في اليوم الأول كانت بالكاد تستجيب في نفس المكان بعد بضعة أسابيع. يتذكر دريسكول، الذي يعمل الآن في معهد ألين في سياتل بواشنطن: “لقد تحدى هذا الأمر كل توقعاتنا تمامًا”. “كان هذا مفاجئًا جدًا لدرجة أن مشروعي بأكمله تغير.”

في عام 2017، أعلنت هي وزملاؤها عن نتائج من هذا المشروع تتعارض مع عقيدة علم الأعصاب. وعلى مدى يوم واحد، تنشط الخلايا العصبية في القشرة الجدارية، وهي مركز معالجة المعلومات الحسية، بشكل متوقع استجابة لأشياء محددة، مثل وضع الفأر في متاهة افتراضية. ولكن على مدار بضعة أسابيع، على الرغم من أن مهمة التنقل في المتاهة ظلت كما هي، إلا أن أنماط النشاط هذه خضعت لعملية إعادة تنظيم كبيرة¹. توقفت بعض الخلايا العصبية عن إطلاق النار استجابةً للمنبهات التي سبق أن قامت بتنشيطها؛ آخرون فعلوا العكس. ومع ذلك، في مجموعات الخلايا، ظلت أنماط النشاط العصبي أكثر اتساقًا مع مرور الوقت. تشير النتائج إلى أن الخلايا العصبية الفردية قد لا يكون لها أدوار ثابتة، وأن استجابة الخلايا المفردة قد تكون أقل أهمية من نشاط المجموعات السكانية بأكملها.

عندما نشر دريسكول هذا العمل، كان هناك بالفعل عدد قليل من الأوراق البحثية التي تصف ملاحظات مماثلة في أجزاء مختلفة من دماغ الفأر. لكن الكثيرين في مجتمع علم الأعصاب كانوا متشككين: فقد تساءل الباحثون عما إذا كانت هذه النتائج قد تكون نتيجة لغريب تجريبي، مثل التتبع غير الدقيق للخلايا المفردة أو التغيرات الطفيفة في سلوك الحيوانات التي لم يأخذها المجربون في الاعتبار.

ومنذ ذلك الحين، أبلغ العديد من الباحثين عن أدلة على أن الخلايا العصبية تغير كيفية استجابتها لمحفزات أو سلوكيات معينة مع مرور الوقت، وهي ظاهرة أطلق عليها علماء الأعصاب اسم الانجراف التمثيلي (انظر: “كيف ينجرف نشاط الخلايا العصبية مع مرور الوقت”). وقد تم العثور على أدلة على ذلك في مناطق مختلفة من الدماغ وعند استخدام عدة تقنيات مختلفة. بشكل عام، بدأ المجتمع يتقبل حقيقة الانجراف، لكن بعض العلماء ما زالوا غير مقتنعين – ويرجع ذلك جزئيًا إلى فشل بعض الدراسات في العثور على هذا التأثير.

وتدور المناقشات حول أسئلة أخرى، مثل: كيف يستطيع الدماغ توليد سلوكيات مستقرة عندما تكون التمثيلات العصبية في تدفق مستمر؟ ما هو الغرض، إن وجد، الذي يخدمه الانجراف؟ وكيف يرتبط الانجراف بالمرونة، حيث يغير الدماغ اتصالاته لتعلم أشياء جديدة؟

يقول الباحثون إن فهم الانجراف يمكن أن يكون له آثار بعيدة المدى، بدءًا من فك رموز كيفية تكوين الذكريات وتحديثها، وصولاً إلى تصميم واجهات الدماغ والحاسوب، والشبكات العصبية لأدوات الذكاء الاصطناعي.

يقول أندرو فينك، عالم الأعصاب بجامعة نورث وسترن في إيفانستون، إلينوي: “عندما يتحدث الناس عن هذه الظاهرة، يكون الأمر مثيرًا، لأنها مليئة بالاحتمالات”. “إنه يثير أسئلة عميقة حقًا حول ما يحدث في الدماغ.”

تغييرات غير متوقعة

إن فكرة أن بعض الخلايا العصبية تنشط دائمًا استجابةً لنفس الإشارات يمكن إرجاعها إلى الاكتشافات التاريخية في هذا المجال. في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، اقترح الثنائي عالم الأعصاب ديفيد هوبل وتورستن ويزل أن الخلايا العصبية تنشط بشكل تفضيلي استجابة لمحفزات معينة². وبعد سنوات، حدد عالم الأعصاب جون أوكيف خلايا المكان، وهي الخلايا العصبية التي تصبح نشطة عندما تكون الحيوانات في مواقع محددة³.

شكلت التمثيلات المستقرة أيضًا الأساس لنماذج الذاكرة الرائدة. على مدى عقود، جمع علماء الأعصاب أدلة على “الإنجرامز”، الذي يتحمل التغيرات في مجموعات خلايا الدماغ التي تستخدم لتخزين واسترجاع التجارب الماضية.⁴. وقد أظهرت الدراسات أن تحفيز خلايا عصبية معينة في الحصين يمكن أن يوقظ نفس الذكريات، وعلى العكس من ذلك، فإن تثبيط تلك الخلايا يمكن أن يثبطها.

ولكن، في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدأت تظهر علامات تشير إلى أن الطريقة التي يمثل بها الدماغ المعلومات قد تكون أكثر مرونة مما أدركه العلماء، حيث بدأ الباحثون في الانتقال من تسجيل الخلايا في نقاط زمنية واحدة إلى تتبعها على مدى فترات أطول. بالنسبة للكثيرين، كانت هذه العلامات بمثابة مفاجأة. يتذكر كليفورد كينتروس، عالم الأعصاب في معهد كافلي لعلم أعصاب الأنظمة في تروندهايم بالنرويج، أنه عندما رأى لأول مرة تحولات كبيرة في نشاط الخلايا في قرن آمون الفئران، اعتقد أنه كان هناك خطأ تجريبي. لكن حتى في التجارب المتكررة، لم يختف عدم الاستقرار هذا⁵. يقول: “الطبيعة سوف ترميك بشكل منحني”. “العقل لا يعمل كما تتوقع.”

وتبين أن هذه النتيجة لم تكن مصادفة: فبعد بضع سنوات، أبلغت مجموعتان أخريان عن حدوث تغييرات مماثلة في خلايا مكان الحصين في الجرذان والفئران. وبمرور الوقت، بدأت تظهر أدلة على أن هذا النوع من التغيير يحدث أيضًا في أجزاء أخرى من الدماغ.

قوبلت الدراسات المبكرة بأسئلة حول المنهجية، مثل ما إذا كان العلماء قادرين حقًا على التأكد من أن الخلايا التي كانوا يسجلونها في يوم ما هي نفسها تلك التي تم تتبعها في اليوم التالي. لكن التقدم في تقنيات التصوير والتسجيل خفف من بعض هذه المخاوف.

استمر الانجراف في الظهور في المزيد من المناطق، بما في ذلك بعض الأماكن غير المتوقعة، مثل القشرة البصرية والقشرة الشمية. على سبيل المثال، العثور على الانجراف التمثيلي في القشرة الكمثرية⁶، وهي منطقة رئيسية لمعالجة المعلومات الشمية، كانت “متناقضة تمامًا مع الطريقة التي كنا نفكر بها نحن وجميع زملائنا بشأن تلك القشرة”، كما يقول فينك. كان العلماء يعتقدون أن النشاط في الخلايا العصبية في هذه المنطقة يجب أن يكون ثابتًا لتمكين الحيوانات من التعرف على الروائح، لكن فينك وزملاؤه اكتشفوا أن أنماط النشاط هذه كانت تقريبًا غير قابلة للتعرف عليها بعد شهر واحد من التسجيلات الأصلية.

ومع تراكم الأدلة، ظهر بعض المتشككين الأوائل في الانجراف. يقول سيمون رامبل، عالم الأعصاب في جامعة يوهانس جوتنبرج ماينز في ألمانيا، إنه كان يعارض الفكرة في البداية، لأنها قلبت تمامًا الطريقة التي تعلم بها التفكير في الدماغ. ومع ذلك، يضيف، فإن مجموعة الأدلة على الانجراف أصبحت في نهاية المطاف “أكبر من أن نتجاهلها”.

ماذا يفعل الانجراف؟

إذا حدث الانجراف التمثيلي، ما هي وظيفته؟ هل هو شيء مفيد ومفتاح للطريقة التي يعمل بها الدماغ؟ أم أنه خلل، شيء يجب على الدماغ أن يعمل حوله؟

إحدى الفرضيات هي أن الانجراف التمثيلي، على الأقل في الحصين، يساعد الدماغ على تتبع الوقت. في الواقع، قبل سنوات من استخدام كلمة “الانجراف” على نطاق واسع، لاحظت جيل لوتغيب، عالمة الأعصاب في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، وزملاؤها التحولات في نشاط مجموعات من الخلايا العصبية في الحصين مع مرور الوقت، واقترحوا أنها قد تشفر مرور الوقت بين الأحداث.⁷.

وقد طرح آخرون أفكارًا مماثلة: يشير يانيف زيف، عالم الأعصاب في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت بإسرائيل، إلى أن الانجراف مطلوب من أجل “الختم الزمني” للأحداث من أجل الذكريات طويلة المدى. ويقول دينيس كاي، عالم الأعصاب في كلية إيكان للطب في ماونت سيناي في مدينة نيويورك، إن الانجراف قد يمكّن الدماغ من ربط الذكريات التي تتشكل بالقرب من بعضها البعض في الوقت المناسب. هذه الفكرة مدعومة بالعمل الذي قامت به كاي وفريقها، الذين درسوا نشاط الخلايا العصبية في الحصين عندما تم إدخال الفئران إلى مواقع مختلفة. عندما زارت الفئران موقعين في غضون ساعات، قامت نفس مجموعة الخلايا العصبية بتشفير كلا الموقعين في الذاكرة، ولكن عندما كان هناك أسبوع بين الزيارتين، كانت مجموعات الخلايا العصبية المستخدمة لتشفير ذاكرة كل موقع مختلفة⁸.

بالإضافة إلى تثبيت الذكريات في الوقت المناسب، قد يمكّن الانجراف الدماغ من تحديث الذكريات بمعلومات جديدة. يقول كاي: “لدينا تجارب كل يوم وعلينا دمج ما نتعلمه مع ماضينا”. “إذا كانت لدينا دائمًا نفس الخلايا التي تعمل بنفس الطريقة، فلن يكون هناك مساحة في الدماغ لتلقي معلومات جديدة.” يقول كاي إن فهم العوامل التي تتحكم في حدوث الانحراف، وإلى أي مدى، قد يساعد الباحثين على فهم كيفية تعطل الذكريات في الاضطرابات النفسية والتنكسية العصبية، وكذلك كيفية إصلاحها.

يتلقى الدوبامين ضربة قوية: كيف يعيد علم الأعصاب التفكير في المادة الكيميائية “للشعور بالسعادة”.

يبدو أن الانجراف يحدث بمعدلات مختلفة في مناطق الدماغ المختلفة – يبدو أن المزيد من التغيير يحدث في الحصين، على سبيل المثال، مقارنة بالقشرة البصرية – وقد تعكس هذه الاختلافات قدرة كل منطقة على دمج المعلومات الجديدة في الدوائر العصبية الموجودة. على النقيض من ذلك، اقترح بعض الباحثين أن الانجراف يمكن أن يكون نتيجة للتغيرات الجسدية العشوائية التي تحدث في الدماغ، مثل دوران المشابك العصبية، مع اللدونة العصبية الطبيعية، حيث يتم تعديل الاتصالات بين الخلايا العصبية مع تعلم الحيوانات.

وبغض النظر عن الأسئلة المتعلقة بالوظيفة، فإن علماء الأعصاب يتصارعون أيضًا مع سر كيفية بقاء السلوك والإدراك مستقرين إذا كانت الرموز العصبية الكامنة وراءهما في حالة تغير مستمر. وفقًا لفينك، هناك فكرتان رئيسيتان: ربما تنجرف مجموعة الخلايا العصبية، ولكن هناك سمات فيها مستقرة، أو ربما يمتلك الدماغ آليات تمكنه من استخلاص صورة مستقرة من التمثيلات المتغيرة.

قد يصبح الانجراف في نهاية المطاف مصطلحًا شاملاً لكثير من الأشياء. يقول كريستوفر هارفي، عالم الأعصاب في كلية الطب بجامعة هارفارد في بوسطن، ماساتشوستس: «من المحتمل أن تكون هناك مجموعة كاملة من الآليات التي تكمن وراء هذا الأمر». “ربما في غضون 10 أو 20 عامًا، سندرك أن الانجراف التمثيلي هو مصطلح شامل كبير، ولكن هناك العديد من الأشياء المختلفة التي تحدث”.