هذه هي الخريطة الأكثر تفصيلاً لاتصالات الدماغ على الإطلاق

هذه الصورة يمكن ليتم تعليقها في معرض، لكنها بدأت الحياة كقطعة صغيرة من دماغ المرأة. في عام 2014، تمت إزالة جزء صغير من القشرة الدماغية لامرأة كانت تخضع لعملية جراحية لعلاج الصرع. سمح هذا المليمتر المكعب من الأنسجة للباحثين في جامعة هارفارد وجوجل بإنتاج مخطط الأسلاك الأكثر تفصيلاً للدماغ البشري الذي شهده العالم على الإطلاق.

قضى علماء الأحياء وخبراء التعلم الآلي 10 سنوات في بناء خريطة تفاعلية لأنسجة المخ، والتي تحتوي على ما يقرب من 57000 خلية و150 مليون مشبك عصبي. وتُظهر الخلايا التي تلتف حول نفسها، وأزواجًا من الخلايا التي تبدو معكوسة، و”أشياء” على شكل بيضة، والتي وفقًا للبحث، تتحدى التصنيف. من المتوقع أن يساعد هذا المخطط المعقد بشكل مذهل في دفع البحث العلمي إلى الأمام، بدءًا من فهم الدوائر العصبية البشرية إلى العلاجات المحتملة للاضطرابات.

يقول دانييل بيرجر، أحد الباحثين الرئيسيين في المشروع وأحد الباحثين: “إذا رسمنا خريطة للأشياء بدقة عالية جدًا، وشاهدنا جميع الروابط بين الخلايا العصبية المختلفة، وقمنا بتحليل ذلك على نطاق واسع، فقد نتمكن من تحديد قواعد الأسلاك”. متخصص في علم الاتصال، وهو علم كيفية ارتباط الخلايا العصبية الفردية لتشكيل شبكات وظيفية. “من هذا، قد نكون قادرين على صنع نماذج تشرح ميكانيكيًا كيفية عمل التفكير أو تخزين الذاكرة”.

يوضح جيف ليشتمان، أستاذ البيولوجيا الجزيئية والخلوية بجامعة هارفارد، أن الباحثين في مختبره، بقيادة أليكس شابسون-كو، أنشأوا خريطة الدماغ عن طريق التقاط صور دون خلوية للأنسجة باستخدام المجهر الإلكتروني. وكانت الأنسجة المأخوذة من دماغ المرأة البالغة من العمر 45 عامًا ملطخة بالمعادن الثقيلة، التي ترتبط بالأغشية الدهنية في الخلايا. وقد تم ذلك حتى تكون الخلايا مرئية عند النظر إليها من خلال المجهر الإلكتروني، حيث تعكس المعادن الثقيلة الإلكترونات.

تم بعد ذلك دمج الأنسجة في الراتنج بحيث يمكن تقطيعها إلى شرائح رفيعة للغاية، يبلغ سمكها 34 نانومتر فقط (بالمقارنة، يبلغ سمك قطعة الورق النموذجية حوالي 100000 نانومتر). ويقول بيرغر إن ذلك تم لتسهيل عملية رسم الخرائط، أي تحويل مسألة ثلاثية الأبعاد إلى مسألة ثنائية الأبعاد. بعد ذلك، التقط الفريق صورًا بالمجهر الإلكتروني لكل شريحة ثنائية الأبعاد، والتي بلغت 1.4 بيتابايت من البيانات.

بمجرد حصول الباحثين في جامعة هارفارد على هذه الصور، فعلوا ما يفعله الكثير منا عندما يواجهون مشكلة: لقد لجأوا إلى جوجل. قام فريق من شركة التكنولوجيا العملاقة بقيادة Viren Jain بمحاذاة الصور ثنائية الأبعاد باستخدام خوارزميات التعلم الآلي لإنتاج عمليات إعادة بناء ثلاثية الأبعاد باستخدام التجزئة التلقائية، حيث يتم تمييز وتصنيف المكونات داخل الصورة – على سبيل المثال، أنواع مختلفة من الخلايا – تلقائيًا. تطلبت بعض عمليات التجزئة ما أسماه ليشتمان “بيانات الحقيقة الأرضية”، والتي تضمنت قيام بيرجر (الذي عمل بشكل وثيق مع فريق جوجل) بإعادة رسم بعض الأنسجة يدويًا لتوفير مزيد من المعلومات للخوارزميات.

ويوضح بيرغر أن التكنولوجيا الرقمية مكنته من رؤية جميع الخلايا في عينة الأنسجة هذه وتلوينها بشكل مختلف حسب حجمها. إن الطرق التقليدية لتصوير الخلايا العصبية، مثل تلوين العينات بمادة كيميائية تعرف باسم صبغة جولجي، والتي تم استخدامها لأكثر من قرن من الزمان، تترك بعض عناصر الأنسجة العصبية مخفية.