نظرية جديدة لتشكيل المشبك في الدماغ
إعادة تنظيم في القشرة البصرية: قبل (يسار) وفقط بعد تلف شبكية العين (في الوسط) ، وفي مرحلة لاحقة (يمين). يمكن لمعظم الخلايا العصبية الموجودة في المنطقة حيث يتم عرض الصور من شبكية العين التالفة أن تحقِّق ...الأكثر من ذلك
يتغير دماغ الإنسان باستمرار طوال حياة الشخص. يتم إنشاء اتصالات جديدة باستمرار بينما تتدهور نقاط الاشتباك العصبي التي لم تعد قيد الاستخدام. حتى الآن ، لا يُعرف الكثير عن الآليات الكامنة وراء هذه العمليات. استطاع عالم المعلومات العصبية جوليش الدكتور ماركوس بوتز الآن أن ينسب تشكيل شبكات عصبية جديدة في القشرة البصرية إلى قاعدة استتباب بسيطة هي أيضًا أساس العديد من العمليات ذاتية التنظيم الأخرى في الطبيعة. مع هذا التفسير ، يقدم هو وزميله الدكتور آرين فان أوين من أمستردام أيضًا نظرية جديدة حول مرونة الدماغ - ونهجًا جديدًا لفهم عمليات التعلم وعلاج إصابات وأمراض الدماغ.
أدمغة البشر البالغين ليست بأي حال من الأحوال السلكية الصلبة. لقد أثبت العلماء هذه الحقيقة مرارًا وتكرارًا خلال السنوات القليلة الماضية باستخدام تقنيات تصوير مختلفة. هذا ما يسمى المرونة العصبية ليس فقط يلعب دورا رئيسيا في عمليات التعلم ، بل إنه أيضا تمكن الدماغ من التعافي من الإصابات والتعويض عن فقدان الوظائف. ولم يتوصل الباحثون إلا مؤخرًا إلى أنه حتى في دماغ البالغين ، لا تتآثر المشابك الموجودة حاليًا مع الظروف الجديدة فحسب ، بل تتشكل الاتصالات الجديدة وإعادة تنظيمها باستمرار. ومع ذلك ، لم يعرف بعد كيف يتم التحكم في عمليات إعادة التنظيم الطبيعية هذه في الدماغ. في مجلة الوصول المفتوح PLOS علم الأحياء الحاسوبيةتقدم الآن Butz و van Ooyen قاعدة بسيطة تشرح كيفية تشكيل هذه الشبكات العصبية الجديدة.
يقول ماركوس بوتز ، الذي كان يعمل في مختبر محاكاة علم الأعصاب الذي تم إنشاؤه مؤخرًا في مركز جوليش للحوسبة الفائقة خلال الأشهر القليلة الماضية: "من المحتمل جدًا أن تكون اللدونة الهيكلية للدماغ هي الأساس لتكوين الذاكرة طويلة المدى". "ولا يتعلق الأمر بالتعلم فقط. بعد بتر الأطراف ، وإصابات الدماغ ، وظهور الأمراض التنكسية العصبية ، والسكتات الدماغية ، تتشكل أعداد هائلة من المشابك العصبية الجديدة من أجل تكييف الدماغ مع التغيرات الدائمة في أنماط المنبهات الواردة ".
نشاط ينظم تكوين المشبك
تُظهر هذه النتائج أن تشكيل نقاط الاشتباك العصبي الجديدة مدفوع بميل الخلايا العصبية للحفاظ على مستوى النشاط الكهربائي "المحدد مسبقًا". إذا انخفض متوسط النشاط الكهربائي إلى ما دون عتبة معينة ، تبدأ الخلايا العصبية في بناء نقاط اتصال جديدة بنشاط. هذه هي أساس نقاط الاشتباك العصبي الجديدة التي تقدم مدخلات إضافية - يزداد معدل إطلاق الخلايا العصبية. يعمل هذا أيضًا بطريقة أخرى: بمجرد أن يتجاوز مستوى النشاط الحد الأعلى ، يتم تقليل عدد الوصلات المشبكية لمنع أي إثارة مفرطة - ينخفض معدل إطلاق الخلايا العصبية. غالبًا ما تحدث أشكال مماثلة من التوازن في الطبيعة ، على سبيل المثال في تنظيم درجة حرارة الجسم ومستويات السكر في الدم.
مع ذلك ، يؤكد ماركوس بوتز أن هذا لا يعمل بدون حد أدنى معين من الإثارة للخلايا العصبية: "العصبون الذي لم يعد يتلقى أي منبهات يفقد المزيد من المشابك العصبية ويموت بعد مرور بعض الوقت. يجب أن نأخذ هذا القيد في الاعتبار إذا أردنا أن تتفق نتائج عمليات المحاكاة لدينا مع الملاحظات ". باستخدام القشرة البصرية وكمثال على ذلك ، درس علماء الأعصاب المبادئ التي بموجبها تشكل الخلايا العصبية صلات جديدة وتتخلى عن المشابك الموجودة. في هذه المنطقة من الدماغ ، حول 10 ٪ من نقاط الاشتباك العصبي يتم تجديدها باستمرار. عندما تتضرر شبكية العين ، فإن هذه النسبة تزداد أكثر. باستخدام المحاكاة الحاسوبية ، نجح المؤلفون في إعادة تنظيم عملية إعادة تنظيم الخلايا العصبية بطريقة تتفق مع النتائج التجريبية من القشرة البصرية للفئران والقردة مع شبكية العين التالفة.
القشرة البصرية مناسبة بشكل خاص لإثبات قاعدة النمو الجديدة ، لأنها تحتوي على خاصية يشار إليها باسم retinotopy: وهذا يعني أن النقاط المسقطة بجانب بعضها البعض على الشبكية يتم ترتيبها أيضًا بجانب بعضها البعض عندما يتم عرضها على القشرة البصرية ، فقط مثل على الخريطة. في حالة تلف مناطق في شبكية العين ، تتلقى الخلايا التي تُعرض عليها الصور المرتبطة مدخلات مختلفة. يقول ماركوس بوتز: "في عمليات المحاكاة لدينا ، يمكنك أن ترى أن المناطق التي لم تعد تتلقى أي مدخلات من شبكية العين تبدأ في بناء روابط متقاطعة ، مما يسمح لها باستقبال المزيد من الإشارات من الخلايا المجاورة لها". تتشكل هذه الروابط المتقاطعة ببطء من حافة المنطقة المتضررة باتجاه المركز ، في عملية تشبه التئام الجرح ، حتى يتم استعادة مستوى النشاط الأصلي بشكل أو بآخر.
اللدونة متشابك والهيكلية
يقول المؤلف المشارك Arjen van Ooyen ، الذي كان يعمل على نماذج لتطوير الشبكات العصبية منذ عقود: "توفر قاعدة النمو الجديدة مرونة هيكلية بمبدأ بسيط تقريبًا مثل مبدأ اللدونة المشبكية". في وقت مبكر من عام 1949 ، اكتشف أستاذ علم النفس دونالد أولدينغ هب تلك الروابط بين الخلايا العصبية التي يتم تنشيطها بشكل متكرر ستصبح أقوى. أولئك الذين يتبادلون معلومات قليلة سيصبحون أضعف. اليوم ، يعتقد العديد من العلماء أن هذا المبدأ في Hebbian يلعب دوراً مركزياً في عمليات التعلم والذاكرة. في حين اللدونة متشابك في المشاركة في المقام الأول في العمليات القصيرة الأجل التي تستغرق من بضعة ميلي ثانية إلى عدة ساعات ، تمتد اللدونة الهيكلية على مقاييس زمنية أطول ، من عدة أيام إلى شهور.
لذا تلعب اللدونة الهيكلية دورًا مهمًا بشكل خاص خلال مرحلة إعادة التأهيل (المبكرة) للمرضى المصابين بالأمراض العصبية ، والتي تستمر أيضًا لأسابيع وأشهر. الرؤية التي تقود المشروع هي أن الأفكار القيمة لعلاج مرضى السكتة يمكن أن تنجم عن تنبؤات دقيقة لتشكيل المشبك. إذا عرف الأطباء كيف سيتغير هيكل الدماغ للمريض وإعادة تنظيمه أثناء العلاج ، فيمكنه تحديد الأوقات المثالية لمراحل التحفيز والراحة ، وبالتالي تحسين كفاءة المعالجة.
نهج جديد للعديد من التطبيقات
"كان من المفترض سابقًا أن اللدونة الهيكلية تتبع أيضًا مبدأ اللدونة Hebbian. تشير النتائج إلى أن اللدونة الهيكلية تخضع لمبدأ التماثل الساكن بدلاً من ذلك ، والذي لم يؤخذ في الاعتبار من قبل ، "كما يقول البروفيسور أبيجيل موريسون ، رئيس مختبر المحاكاة في علم الأعصاب في يوليش. يعمل فريقها بالفعل على دمج القاعدة الجديدة في برنامج المحاكاة NEST الذي يمكن الوصول إليه مجانًا ، والذي يستخدمه العديد من العلماء في جميع أنحاء العالم.
هذه النتائج هي أيضا ذات صلة لمشروع الدماغ البشري. علماء الأعصاب وعلماء الطب وعلماء الكمبيوتر وعلماء الفيزياء وعلماء الرياضيات في أوروبا يعملون جنبًا إلى جنب لمحاكاة الدماغ البشري بأكمله على أجهزة كمبيوتر عالية الأداء للجيل القادم من أجل فهم كيفية عمله بشكل أفضل. "بسبب الدوائر المتشابكة المعقدة في الإنسان الدماغ، ليس من المعقول أن يتم تحقيق التسامح مع الأخطاء والمرونة بناءً على قواعد الاتصال الثابتة. يقول البروفيسور ماركوس ديسمان من معهد يوليش لعلم الأعصاب والطب ، الذي يشارك في المشروع ، "لذلك فإن النماذج مطلوبة لعملية التنظيم الذاتي". يرأس علم الأعصاب الحاسوبي والأنظمة (INM-6) ، وهو معهد فرعي يعمل على الواجهة بين أبحاث علم الأعصاب وتكنولوجيا المحاكاة.
استكشاف المزيد: إعادة تعلم كيفية الرؤية: يجد الباحثون مفتاحًا محوريًا هامًا في التطوير البصري
مزيد من المعلومات: قاعدة بسيطة لتكوين العمود الفقري الشجيري وتكوين البوتونات المحاور يمكن أن تكون مسؤولة عن إعادة التنظيم القشري بعد الآفات الشبكية البؤرية ، Markus Butz ، Arjen van Ooyen ، PLoS Comput Biol (تم نشره على الإنترنت 10 October 2013) ؛ DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;