كيف تتواصل خلايا الدماغ فيما بينها؟ تعتبر لغة الدماغ من اهم التحديات العلمية في عصرنا، ولكن على الرغم من الانطباع الذي تعطيه الصحافة الغير متخصصة، لا يزال الباحثين بعيدين عن المستويات الأساسية لفهم هذه اللغة. ففي الفترة الأخيرة انشئ مشروع لتقديم رؤى جديدة من خلال تطوير أدوات جديدة تنطوي على العمل المشترك بين تكنولوجيا النانو وعلم البصريات.
الدماغ البشري يحتوي على ما يقارب 100 بليون خلية عصبية. الباحثون يعرفون الكثير عن الآلية التي تعمل بها الخلايا بشكل مفرد، من خلال “الكهربية – electrophysiology” والتي تشمل الصاق أقطاب في الخلايا ومن ثم تسجيل نشاط الكهربائي للخلايا. كما ان الباحثين يعرفون بشكل لا بأس به حول التنظيم الجسمي في الدماغ وكذلك المناطق التشريحية المتخصصة جزئياً، وذلك بفضل تقنيات التصوير الكامل للدماغ مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (functional magnetic resonance imaging) والذي يقيس مدى تغير مستويات الأكسجين في الدم والمناطق التي تستهلك مستويات مرتفعة من الأوكسجين كوقود لعملية التمثيل الغذائي. لكنهم لا يعرفون سوى القليل حول الكيفية التي يعمل بها الدماغ او ترتيب الخلايا في “المعالجة المحلية” التي تكون بمثابة عناصر في هذه الشبكات.
كما ان الباحثين يفتقدون لمعرفة كل ما يتعلق بشفرة استخدام اعداد كبيرة من الخلايا في التواصل والتفاعل. وهذا من الأمور المهمة، لان الظواهر الذهنية عادة ما تنتج بواسطة نشاط متزامن لعدة الآف او ملايين الخلايا العصبية. اي يتعين على علماء الأعصاب فك آلية الدماغ. ويقول الفيزيائي مايكل رووكس (Michael Roukes) من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (California Institute of Technology)، وهو احد المشاركين في (خريطة نشاط المخ – Brain Activity Map) وهي ورقة بحثية نشرت في عام 2012 والتي تعتبر الورقة الملهمة لانشاء هذه المبادرة، انه “ان المرحلة الأولى هو تعلم ما هي لغة الدماغ الطبيعية، اذ ان الكشف عن اللغة الافتراضية صعب جدا، لذلك اذا كنت في منتصف احدى الفقرات او احد الفصول لا تركز على الكلمات الفردية او تميز الحروف … وبمجرد حدوث ذلك سوف نستطيع التحدث الى الدماغ بجمل كاملة”.
وهذه المبادرة تهدف الى ملئ الفجوات في فهم آلية عمل الدماغ، حيث بدأ التفكير في هذا المشروع منذ عام 2014 حين فتح صندوق تمويل بقيمة 100 مليون دولار، لتمكين الباحثين على العمل مع عدد كبير من الخلايا من خلال التشجيع على تطوير وتحديث تكنولوجيات جديدة. فالهدف هو تمكين العلماء من فهم الكيفية التي يعمل بها الدماغ مع تفاصيلة الخلوية لكي يستطيعون فهم الامراض العصبية بشكل أفضل، ومن هذه الأمراض هي الزهايمر والأضطرابات النفسية مثل الفصام والاكتئاب.
اليوم التكنولوجيا الضوئية في مجال التصوير الضوئي هي الأساس، حيث تستخدم البروتينات والكالسيوم كمؤشرات مشعة عن طريق ادخالها الى الخلايا بواسطة التعديل الوراثي، فينبعث منها الضوء كأستجابة لتغير مستويات الكالسيوم في الخلايا العصبية. ويتم تسجيل هذه الأشارات بأستخدام مجاهر خاصة تنتج الضوء، لان المؤشرات المشعة تحتاج لأمتصاص الضوء ومن بعد ذلك ينبعث منها جزيئات خفيفة. هذه التقنية تعمل جنبا الى جنب مع علم البصريات الوراثية، وهي تقنية تعديل الخلايا وراثيا بواسطة الضوء، مما يتيح للباحثين المراقبة والسيطرة على النشاط العصبي.
وفد تم بالفعل بعض التقدم المذهل في استخدام هذه التقنيات. فعلى سبيل المثال، فالباحثين في معهد هاورد هيوز الطبي (Howard Hughes Medical Institute) في الولايات المتحدة قاموا بنشر ورقة بحثية في عام 2013 بقيادة ميشا اهرنز (Misha Ahrens) حول الطرق الطبيعية في تسجيل نشاط جميع الخلايا العصبية في أدمغة يرقات أسماك الحمار الوحشي. وتستخدم أسماك الحمار الوحشي لان من السهل القيام بالتعديل الوراثي عليها، حيث انها صغيرة وشفافة. وقام الباحثون بصقل تقنية تسمى ورقة الضوء (light-sheet) للفحص المجهري. والذي يستخدم شعاع الليزر لانتاج موجات من الضوء لأضاءت المقطع العرضي من الدماغ في وقت واحد. فقد تمت هندسة السمك وراثيا مع مؤشرات الكالسيوم لذلك كانت قادرة على اصدار صور ثنائية الأبعاد من النشاط العصبي، والتي تجمع من قبل الباحثين على شكل صور ثلاثية الأبعاد، فقد تمكنوا من رؤية 90% من نشاط  خلايا دماغ أسماك الحمار الوحشي، اي ما يعادل 100000 خلية دماغية.
وكما هو ملحوظ فان هذا الأنجاز يشترك بالحد الأقصى من تقنيات الفضاء الحر (free-space) للتقنيات البصرية، التي تسلط ضوءاً خارجياً الى الدماغ بصورة مباشرة: ضوء يخترق فقط الى الأن الأنسجة الغير شفافة. وبأستخدام مجهر ثنائي الفوتون، والذي يستخدم ضوء عالي الموجة، للوصول الى أعمق الأنسجة والتي يمكنها التصوير الى عمق اثنين ملليمتر حالياً. وهذا يحد من المناطق التي يمكن دراستها في الحيوانات ذات الهيكل الخارجي، حيث القشرة أكثر سمكا من ذلك.
أحد الجهود الأساسية للمبادرة هو توسيع هذه الحدود. ويقول عالم الأعصاب رفائيل يوستي (Rafael Yuste) من جامعة كولومبيا (Columbia University)، انه “يمكننا ان نستخدم تصوير ثلاثي الفوتون للوصول الى مناطق أعمق”. وكان يوستي احد المشاركين في الورقة البحثية (BAM). فالتكنولوجيا في الوقت الحاضر قادرة على أختراق 3 مليمترات من الأنسجة. فالضوء ذو الطول الموجي العالي يحترق أبعد من ذلك، لكنه يحمل طاقة أقل من الطاقة التي تحتاجها الفوتونات لألقاء الضوء الكافي على المؤشرات.
والنهج الجديد تم الأخذ به بواسطة المجموعات البحثية، بقيادة روكس. وبتمويل المنحة المقدمة من (BRAIN)، خطط فريقه على الجمع بين وسائل بصرية مع تكنولوجيا النانو لزراعة أجزاء نانوية في الدماغ والتي تتفاعل مع الخلايا البصرية، وأعماق لا يمكن ان يصل اليها. فيقول رووكس “مع التقنيات البصرية حيث تفعل الأستشعار الموجه، كل ما تذهب الى مكان أعمق كل ما تفقد الدقة. والنموذج الاخير هو زرع بعض الأجزاء في الدماغ … الأسلاك ضيقة للغاية ويمكن زراعتها ببطء وسهولة، ما دامت لا تزيح انسجة كثيرة”.
وتسمى هذه التكنولوجيا ب(الفوتونات العصبية المتكاملة – integrated neurophotonics). فالأبر او السيقان ترصع بأجزاء باعثة للضوء وبكسل كاشف، والدليل الموجي البصري (الألياف البصرية الصغيرة) تنقل الضوء عن طريق البواعث، والتي تستخدم الحيود لارسال ضوء الى الدماغ على حجم الخلية. في الواقع، يتم القيام بتصوير موضعي داخل الدماغ. فيقول رووكس “انها خليط من العديد من لبنات البناء الختلفة التي تطبق تكنولوجيا تصوير الدماغ الوظيفي”، كما انه يقول “إنه لأمر مثير التفكير في كيفية استخدام كل هذه الطوب لبناء نوع مختلف من الكاتدرائية اكثر من اي شيء تم بناءه من قبل”.
كما ان احد الأهداف الرئيسية من المشروع هو تسجيل الوحدات التخزينية في كل الخلايا العصبية في الأنسجة. ويقول رووكس “اننا لا نستطيع فهم آلية الدماغ بالكامل مرة واحدة، اذ علينا ان نجد حلول لبعض المشاكل وتقليصها بشكل تدريجي”، وأضاف “السؤال هو: هل يمكننا تحديد نوع المعالج الإقليمي في الدماغ وفهمها خلال العشر سنوات القادمة؟” هنالك هياكل صغيرة في القشرة الدماغية تسمى (الأعمدة القشرية – cortical columns) حيث تتفرق الاتصالات الداخلية والاتصالات الخارجية، مما يجعلها تحتوي على 100000 خلية، ويعتبر هذا هدف مبكر مثالي للدراسة.
فقد قامت مجموعة رووكس بدفع المسبارات الكهربائية التقليدية الى اقصى طاقتها، وقاموا ببناء (nanorobes) مع الأبر بعرض الخلية العصبية (حوالي 20 ميكرومتر)، مضاف اليها (nanoelectrodes)، الذي يوخز في الفراغ بين الخلايا. ولكن بسبب المسافة بين الأقطاب يمكن التقاط إشارات من الخلايا المفردة وسط التنافرات من نشاط محدود، فكل قطب كهربائي يسمح للباحثين بالتسجيل من خلية او اثنين في المتوسط.
ويمكن لهذه المسابر ان تسجل في الوقت الحالي نشاط 1000 خلية عصبية، ومن الممكن رفع ادائها ليصل الى 100000، فكما يقول رووكس “انها مشاكل هندسية ومالية”. وهذه المسابر يجب توزيعها في جميع انحاء الدماغ لتسجيل نشاط خلية واحدة لكل مليمتر مكعب من لنسيج الواحد وسوف يشمل حوالي 70000 قطب، وهو المستوى الحالي فاقحامها لمستوى عميق قد يسبب تلف في الأنسجة والخلايا. المسابر الضوئية قد تحل هذه المشكلة. فيقول رووكس “ان المسافة التي يمكن فصل الخلايا العصبية الفردية أطول بكثير في البصريات مقارنة بالأستجابة الكهربائية. يمكننا فقط التقاط 20-50 خلية عصبية، لذلك نحن بحاجة الى عدد قليل من مواقع التسجيل، وهذا ما يعني أن بأمكاننا تفريغ بعض الأمور بجعلها اقل اضطرابا، وهذا ما يجعل هذه التقنية واعدة جدا”.
فهذه التقنية تمكننا من تسجيل نشاط خلية في كل مليمتر مكعب في غضون عامين. واذا فان كل مسبار يمكنه التعامل مع 100000 خلية، ويمكننا ان نضاعف عمله 10 مرات ليصل الى مليون خلية، وهذا هو الهدف النهائي من المشروع. فمن الممكن ان يتم ادخال المسابر الى مسافة اعمق في الدماغ، في الفراغ بين الخلايا وبنسبة ضرر منخفضة. فنقوم بتسجيل نشاط اكبر عدد من الخلايا العصبية بأستخدام منظار داخلي (endoscope) – نوع من المجاهر يدخل الى عمق الدماغ.
ويتم تطوير كل شيء بالأشتراك مع معدات الصناعات التحويلية، وبالتالي فإن التكنولوجيا يمكن ان تكون بذات الإنتاج الضخم وبسهولة ومتاحة للمجتمع العلمي. سوف يتم اجراء الأختبارات الأولية على الفئران، لكن اندرياس تواليز (Andreas Tolias)، احد علماء الاعصاب العاملين في المشروع من كلية بايلور الطبية (Baylor College of Medicine) في هيوستنن يعمل على الرئيسيات من غير البشر، ويخطط ل‘جراء الأختبارات النهائية على القرود.
ولتوسيع نطاق الأختبارات لتشمل البشر امر لن يكون سهلا. فيقول رووكس “هنالك الكثير من القضايا تجري في تفكير الانسان، لكنه أقرب من أي وقت مضى”. فيجب ان يتم تعديل الجينات وراثيا، والأشخاص مترددين في كل ما يخص التعديل الوراثي، والتوافق البيولوجي على المدى الطويل بين الرئيسيات غير مؤكد، خصوصا تدافع العقول ونحن نتحرك او نتنفس. ويقول عالم الفيزياء الحيوية آدم كوهين (Adam Cohen) من جامعة هارفورد، انه “معظم التحديات تتمثل في زراعة المسبارات بدون ردة فعل مناعية حادة أو مزمنة، ودون تأثر الدورة الدموية، كمثل ظهور الأوعية الدموية أو وجود مشاكل عندما يتحرك الحيوان”. ثم هنالك مشكلة أجراء العمليات الجراحية لفتح الجمجمة.
البديل الذي قد يحل المشكلة في نهاية المطاف هو (الغبار العصبي – neural dust). فالمهندس وعالم الأعصاب خوسيه كارمينا (Jose Carmena) من جامعة كاليفورنيا (University of California) وزملاءه، يفكرون فيأجهزة أستشعار نانومترية الحجم تدمج فيها تكنولوجيا الأتصالات اللاسلكية. فيقول يوستي (يوستي) “الفكرة هي بناء أجهزة استشعارات صغير تقوم بتسجيل نشاط الأنسجة المحلية ونقل المعلومات لاسلكيا من داخل الدماغ … انها زاوية ثالثة قد يتم في المستقبل”.
وفي الوقت نفسه، سوف تستفيد البصريات النانوية من التقدم التكنولوجي، حالها حال المؤشرات. وقال رووكس “كل التفاصيل في توقيت المسابر الفردية سيخبرنا بما يقوم به الدماغ … كما ان صفيحة الكالسيوم بطيئة، لذلك يشوه بعض من هذا النشاط ويفقد المعلومات”. مؤشرات الجهد اسرع من ناحية تسجيل الإشارات العصبية لذلك يهتم بها الباحثون بصورة أكبر، لكنها تنتج إشارات ضعيفة ومشوشة. وهنالك تقارير عن نشاطات مختلفة مثل نشاط المواد لكيميائية والاجزاء العصبية المادية للأجواء المتحركة من الخلايا. فيقول كوهين “ان الدماغ هو نظام كيميائي معقد وكميات التفاعل الضوئي من شانه ان ينطبق على العديد من المؤشرات المختلفة”. ولذلك يعمل على تطوير هذه الادوات.
التطبيقات المحتملة عديدة ومعقدة. فيقول كوهين “هذه الأدوات سوف تتيح لنا البدء في فهم مدى التعقيد الذي ينشأ من السلوكيات المتفرقة من أنماط نشاط الخلية، فيمكن للمرء ان يستكشف المناطق التي يتعسر التنظيم فيها نتيجة الامراض وكيف يمكن لهذه الامراض ان تؤدي الى الأعراض الجانبية”. الدماغ، الآلية والأجزاء العصبية هي المجالات الأخرى التي سوف تستفيد. ويقول رووكس “يمكن معالجة الاطراف الصناعية البصرية للأشخاص الذين لا يمكن زراعة شبكية العين لهم، بسبب تلف في عصب البصري … يمكننا تحفيز الأستجابة المباشرة في القشرة البصرية”.
أي ان الآلية تبين بأنه يمكن ان تكون هناك فائدة كبيرة من خلال هذا الدمج، ليكون هو الجواب على الكثير من الاسئلة. وقال يوستي “هنالك مجموعة واسعة من التكنولوجيات على الطاولة، وهي لا تتعارض …. أنه ليس الفائز ياخذ كل شيء”.