قام العلماء برسم خريطة لكل خلية عصبية في ذبابة الفاكهة ولم يكن الدماغ يدير العرض

أنشأ العلماء أول خريطة كاملة لربط دماغ ذبابة الفاكهة بالجسم، مما يكشف أن السلوك المعقد قد ينشأ من العمل الجماعي العصبي الموزع بدلاً من وحدة التحكم المركزية.

فريق بحث دولي كبير بقيادة مختبرات في كلية الطب بجامعة هارفارد و جامعة برينستون وصلت إلى إنجاز كبير في علم الأعصاب: رسم تخطيطي كامل لكل اتصال بين الخلايا العصبية في الجهاز العصبي المركزي لذبابة الفاكهة البالغة.

يمنح هذا الإنجاز العلماء طريقة جديدة لدراسة كيفية عمل الدماغ والجسم معًا لإنتاج سلوكيات معقدة، بما في ذلك المشي والطيران. كما أنه يفتح الباب أمام أسئلة أعمق حول القواعد الأساسية التي تحكم الجهاز العصبي.

“يمكننا أن نرى كل الخلايا العصبية وارتباطاتها كوحدة كاملة لأول مرة ونسأل: ماذا نتعلم من ذلك؟” قالت راشيل ويلسون، المؤلفة المشاركة في الدراسة، وأستاذة جوزيف بي مارتن للأبحاث الأساسية في مجال البيولوجيا العصبية في معهد بلافاتنيك في HMS.

أول خريطة كاملة للجهاز العصبي لذبابة الفاكهة

تضيف الخريطة التفصيلية للاتصالات العصبية، التي تسمى الشبكة العصبية، نسخة ذبابة الفاكهة من الحبل الشوكي، المعروف باسم الحبل العصبي، إلى شبكة عصبية سابقة في دماغ الذبابة.

قال المؤلف المشارك في الدراسة وي تشونغ ألين لي، الأستاذ المشارك في علم الأحياء العصبية في HMS وأستاذ علم الأعصاب في مستشفى بوسطن للأطفال: “من المهم حقًا أن يكون لدينا شبكة عصبية مركزية كاملة قدر الإمكان حتى نتمكن من ربط الدماغ والجسم والبدء في التفكير في السلوك بشكل شمولي”.

عندما قام الباحثون بتحليل الشبكة العصبية، وجدوا أن العديد من سلوكيات ذبابة الفاكهة لا يتم توجيهها من قبل مركز قيادة واحد في الدماغ. وبدلاً من ذلك، غالبًا ما يتم التحكم فيها عن طريق دوائر عصبية محلية في أجزاء الجسم المشاركة في الحركة.

إن الشبكة العصبية الكاملة متاحة مجانًا على الإنترنت، مما يمنح العلماء في جميع أنحاء العالم موردًا جديدًا لتطوير أبحاث علم الأعصاب. نُشرت الدراسة في 8 يونيو في مجلة Nature وتلقت دعمًا جزئيًا من التمويل الفيدرالي الأمريكي، بما في ذلك مبادرة BRAIN (أبحاث الدماغ من خلال تطوير التقنيات العصبية المبتكرة)، المعاهد الوطنية للصحة، والمؤسسة الوطنية للعلوم.

لماذا ذباب الفاكهة مهم في علم الأعصاب

أحد الأسئلة الرئيسية التي لم تتم الإجابة عليها في علم الأعصاب هو كيفية اتصال الخلايا العصبية في الدماغ والجسم وتعاونها لخلق السلوك. تعتبر ذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster نموذجًا قويًا لدراسة هذه المشكلة.

من السهل تكاثر ذباب الفاكهة والعناية به في المختبر. أنظمتهم العصبية بسيطة نسبيًا، حيث تحتوي على حوالي 160.000 خلية عصبية، ومع ذلك يمكنهم أداء سلوكيات معقدة مثل التنقل والتفاعل الاجتماعي والتعلم والاستجابات للإشارات الحسية. كما أنها توفر ما يسميه لي مجموعة أدوات وراثية متطورة بشكل لا يصدق، مما يسمح للباحثين بالوصول إلى النشاط والتحكم فيه وتسجيله من الخلايا العصبية الفردية أو مجموعات من الخلايا العصبية.

في عام 2024، نشر اتحاد FlyWire، بقيادة مالا مورثي وسيباستيان سيونج في جامعة برينستون، وهما أيضًا مؤلفان مشاركان في الدراسة الجديدة، شبكة عصبية كاملة لدماغ ذبابة الفاكهة. في الوقت نفسه، كان لي وزملاؤه يقومون ببناء شبكة عصبية من الحبل العصبي لذبابة الفاكهة، والتي تتحكم في الأرجل والأجنحة والزوائد الأخرى بينما تقوم أيضًا بمعالجة المعلومات الحسية.

تقول هيلين يانغ، المؤلفة الأولى المشاركة، والباحثة في علم الأحياء العصبي في مختبر ويلسون: “إن كلاً من الوصلات العصبية في الدماغ والحبل العصبي مفيدة في حد ذاتها، ولكن حتى تتمكن من الربط بين الاثنين، فمن الصعب فهم كيفية انتقال المعلومات بين الدماغ والجسم”.

وأشار المؤلف الأول المشارك ألكسندر بيتس، وهو أيضًا زميل باحث في علم الأحياء العصبية في مختبر ويلسون، إلى أنه على الرغم من أن معظم الخلايا العصبية موجودة في الدماغ، إلا أن الخلايا العصبية الموجودة في الحبل العصبي هي “بعض الخلايا العصبية الأكثر فائدة” لأنها مرتبطة بوظائف مثل الإحساس والحركة ويسهل تفسيرها.

ربط الدماغ والجسم

قال مورثي، أستاذ كارول ومارني مارسين لعلم الأعصاب في جامعة برينستون ومدير معهد برينستون لعلم الأعصاب (PNI)، إن فريق FlyWire كان حريصًا على تحويل تركيزه إلى مجموعة بيانات الدماغ والحبل العصبي، أو BANC، التي تم تصويرها في مختبر Lee Lab.

وقالت: “يمثل الشبكة العصبية الجديدة تقدمًا كبيرًا في هذا المجال، مع القدرة على فهم كيفية تلقي الدوائر في الدماغ ردود الفعل من الجسم والتحكم في تصرفاته”.

وأضاف المؤلف المشارك آري ماتسيليا من معهد PNI: “للمرة الأولى، يمكننا متابعة تدفق المعلومات من الإحساس إلى الفعل عبر الجهاز العصبي بأكمله”.

بناء Connectome ثلاثي الأبعاد

لإنشاء الشبكة العصبية، أعد الباحثون آلاف المقاطع التسلسلية الرفيعة من ذبابة فاكهة واحدة. وقاموا بتصوير تلك المقاطع بالمجهر الإلكتروني، مما أدى إلى توليد ملايين الصور التي التقطت الخلايا العصبية واتصالاتها. تم بعد ذلك استخدام أدوات الذكاء الاصطناعي لصف الصور وتجميعها في خريطة موحدة ثلاثية الأبعاد.

يظهر الشبكة العصبية النهائية في المشبك المستوى، كيف تتصل كل خلية عصبية مع الخلايا العصبية الأخرى في الدماغ والحبل العصبي. وعلى الرغم من أنها لا تغطي جسم الذبابة بالكامل، إلا أن الباحثين استخدموا خلايا عصبية محددة ومؤلفات علمية سابقة لربط الخلايا العصبية في الجهاز العصبي المركزي بالعديد من الزوائد والأعضاء الحسية. ومن خلال القيام بذلك، فقد “جسدوا” الشبكة العصبية بشكل فعال.

وقال لي إن الباحثين يمكنهم الآن استخدام الشبكة العصبية لتوليد فرضيات جديدة يمكن اختبارها في المختبر. ويقارن المورد باستخدام المعلومات التفصيلية في خرائط Google لتخطيط الطريق.

وقال لي: “لقد أظهر لنا الشبكة العصبية أن معظم فرضياتنا بسيطة للغاية. والآن، يمكننا تطوير فرضيات أكثر تعقيدًا والمضي قدمًا في التجارب لاختبارها”.

مفاجأة في التحكم في المحركات

لقد استخدم الباحثون بالفعل الشبكة العصبية لدراسة التحكم الحركي، بما في ذلك كيفية تحريك ذبابة الفاكهة لأرجلها وأجزاء أخرى من الجسم.

إحدى الأفكار القديمة في علم الأعصاب هي أن الدماغ يعمل كوحدة تحكم مركزية، ويتخذ القرارات بشأن الإجراءات التي سيتخذها الحيوان.

ولم يكن هذا ما وجده الفريق.

وبدلا من ذلك، اكتشف الباحثون أن التحكم الحركي في ذبابة الفاكهة يتم تنظيمه محليا إلى حد كبير. على سبيل المثال، يتم التحكم في حركة ساق واحدة بشكل أساسي عن طريق الدوائر العصبية المرتبطة بتلك الساق. ثم تتواصل هذه الدوائر المحلية مع دوائر الأرجل الأخرى لإنتاج حركات منسقة مثل المشي.

وظهر نفس النمط في دوائر الأجنحة والفم وأجزاء الجسم الأخرى. ووجد الباحثون أيضًا أن الدوائر الحركية تتصل بأنواع أخرى من الدوائر، بما في ذلك تلك الموجودة في الجهاز البصري وجهاز الغدد الصماء، والتي توفر معلومات إضافية تساعد في تشكيل السلوك.

وقال بيتس: “تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن التحكم في الأفعال يتم توزيعه بشكل كبير في وحدات محلية ترتبط وتعمل معًا بطرق مختلفة”.

ماذا يأتي بعد ذلك

يتوقع الباحثون أن يدعم الشبكة العصبية العديد من الدراسات المستقبلية. يقارنه يانغ بمشروع الجينوم البشري، وهو مصدر مفتوح رئيسي آخر مكّن من تحقيق مجموعة واسعة من التقدم العلمي.

في المستقبل القريب، يخطط الفريق لتوسيع الشبكة العصبية عن طريق إضافة المزيد من المعلومات، بما في ذلك تفاصيل حول الببتيدات العصبية، وهي جزيئات صغيرة تشبه البروتين تستخدمها الخلايا العصبية للتواصل.

يمكن للشبكة العصبية أيضًا أن تساعد في الكشف عن المبادئ الأساسية لكيفية عمل الأجهزة العصبية صِنف، بما في ذلك في البشر. وقال بيتس إن العديد من الاكتشافات في ذباب الفاكهة قد انتقلت من اللافقاريات للثدييات، بما في ذلك النتائج المتعلقة بالملاحة والشم والذاكرة.

وقال ماتسيليا إن الهدف الآخر هو “تقديم خرائط كاملة للخلايا العصبية إلى كائنات أكثر تعقيدًا”. وقال إن التقدم في الذكاء الاصطناعي والحوسبة والعلوم التعاونية المفتوحة يجعل هذا النوع من العمل ممكنًا بشكل متزايد.

أحد الأسئلة الرئيسية هو ما إذا كان التحكم الموزع في الدوائر العصبية الموجود في ذباب الفاكهة موجودًا أيضًا في الحيوانات الأخرى. يدرس لي الآن هذا السؤال على الفئران.

قال يانغ: “سأشعر بالصدمة إذا كان هذا الأمر فريدًا بالنسبة للذبابة”. “ليس لدينا هذا المستوى من الدقة في الحيوانات الأخرى، لكننا نعلم أن لديهم الكثير من هذه الدوائر المحلية.”

كونيكوم ذبابة الفاكهة والذكاء الاصطناعي

قد يكون للعمل أيضًا آثار على الذكاء الاصطناعي. يقدم الشبكة العصبية بيانات بيولوجية ملموسة يمكن أن تساعد في توجيه تصميم العوامل الاصطناعية التي تتحرك عبر عوالم افتراضية، والتي تستخدم بشكل متزايد لدراسة الذكاء وتحسين التدريب على الذكاء الاصطناعي.

قال يانغ: “الشيء الوحيد الذي يذهلني دائمًا هو أن هذه الذبابة الصغيرة تفعل الكثير؛ فحتى أفضل عملاء الذكاء الاصطناعي والروبوتات لدينا لا يمكنهم فعل كل ما تفعله الذبابة”. “قد تكون هناك دروس للذكاء الاصطناعي في كيفية تنظيم الجهاز العصبي.”

المرجع: “دوائر التحكم الموزعة عبر الشبكة العصبية للدماغ والحبل” بقلم ألكساندر س. بيتس، جاسبر س. فيلبس، مينسو كيم، هيلين يانغ، آري ماتسيليا، زكي عجبي، إريك بيرلمان، كيفن إم ديلجادو، محمد عبد مونيوم عثمان، كريستوفر ك. سالمون، جاي جاجر، بنيامين سيلفرمان، صوفيا رينو، فرزان سلمان، جانكي باتل، ماثيو إف. كولي، جينغشوان فان، دييغو أ. باتشيكو، يونزي تشاو، ويني تشانغ، لايا سيراتوسا كابديفيلا، رويري جيه في روبرتس، إيفا مونيلي، نينا غريغز، هيلين لانغلي، بورخا مويا لاماس، زويو تشانغ، ريان تي مالوني، سزي تشيه يو، إيمي آر سترلينغ، ماريسا سوريك، كرزيستوف كروك، نيكيتاس. سيرافيتينيديس، سيرين داوان، فينجا كليم، بول بروكس، إلين ليسر، جيسيكا إم. جونز، سارة إي. بيرس-لوندغرين، سو-يي لي، يتشن لو، أندرو بي. كوك، تيريزا إتش. ماكيم، ديميتريوس ستاسي جياكوماس، بنيامين جوركو، جاستن إليس جويس، جياي تشانغ، إميلي سي. كوفس، تجالدا فالت، أليكسا إم. نيغرون موراليس، أوستن بيرك، جيمس هيبديتش، كايل بي ويلي، رايان ويلي، سيرجي بوبوفيتش، نيكو كيمنتس، دودام إيه، كيسوك لي، ران لو، أخيليش هالاجيري، جي ألكسندر باي، بن جوردان، غريغوري شوارتزمان، داميان دي مارست، إميلي بهنكي، دوغ بلاند، آن كريستيانسن، خايمي سكيلتون، توم ستوكس، داستن. غارنر، أنتوني هيرنانديز، سانديب كومار، اتحاد BANC-FlyWire، كيفن سي دالي، سفين دوركينوالد، فورست كولمان، ماري بي. سوفر، ليزا إم فينك، مايكل جيه. بانكراتز، زبينج ياو، فاي وانج، ستيفن جيه هيوستن، تومكي ستورنر، جريجوري إس إكس إي جيفريس، كاثرينا إيشلر، أندرو إم سيدز، ستيفاني هامبل، سويتا أغراوال، تاتسو س. أوكوبو، ميت زانداوالا، توماس ماكرينا، ديان-ييرا أدجافون، جان فونكي، جون سي. طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10735-ث

تم توفير التمويل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (المنح R01NS121874؛ RF1MH117808؛ U19NS118246؛ U24NS126935؛ RF1MH117815؛ K99NS129759؛ R00NS117657؛ R01NS102333؛ RF1NS128785)؛ R01NS140174؛ U24NS13992؛ R01NS121911؛ T32GM144273; جائزة أوديسي لمؤسسة سميث فاميلي، جامعة هارفارد/مع منحة بحثية مشتركة، زمالة ما بعد الدكتوراه لمؤسسة أبحاث علوم الحياة في HHMI (PJ100000343)، جائزة روبرتسون لعلم الأعصاب لمؤسسة نيويورك للخلايا الجذعية، المؤسسة الألمانية للبحوث (ZA1296/1-1؛ EXC2151-390873048؛ PA787/7-3؛ PA787/9-3)، نيفادا شبكة IDeA للتميز في البحوث الطبية الحيوية (GM103440)، المؤسسة الوطنية للعلوم (2127379؛ 2014862)، الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (KAKENHI 25K00370)، وكالة العلوم والتكنولوجيا اليابانية (ASPIRE JPMJAP2302؛ CRONOS JPMJCS24K2)، زمالة HHMI Gilliam (GT15790)، ماكس بلانك الجمعية، ومؤسسة عائلة شاناهان، وزمالة كيمبنر للخريجين، ومجلس البحوث الطبية (MC_EX_MR/T046279/1)، وصندوق أليس وجوزيف بروكس، ومؤسسة بكين للعلوم الطبيعية (IS23084). يقر المؤلفون أيضًا بأن العمل استفاد من مجموعة الحوسبة عالية الأداء O2، المدعومة من قبل مجموعة الحوسبة البحثية في HMS.

قدمت جامعة هارفارد طلب براءة اختراع لـ GridTape (WO2017184621A1) نيابة عن المخترعين، بما في ذلك دبليو لي، وتفاوضت على اتفاقيات الترخيص مع الشركاء المهتمين. أعلن Macrina وPopovych وKemnitz وIh وK. Lee وLu وHalageri وBae وSeung عن اهتمامهم المالي بـ Zetta AI. تعلن شركة Seung عن اهتمامها المالي بشركة Memazing, Inc. وتعلن شركات Capdevila وRoberts وLangley وMunnelly وGriggs وMoya-Llamas عن اهتمامها المالي بشركة Aelysia Ltd. ويعمل بيرلمان مديرًا لشركة Yikes LLC.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.