الثورة القادمة في علوم الأعصاب: مسبار يتحكم بالخلايا العصبية ويسجل نشاطها في آن واحد

لعقود، واجه علماء الأعصاب مقايضة محبطة: فإما أن يسجلوا الثرثرة الكهربائية لمئات الخلايا العصبية دفعة واحدة، أو يستخدموا الضوء للتحكم بخلايا معدلة وراثياً، لكنهم لم يستطيعوا فعل الأمرين معاً في نفس الدائرة العميقة بالدماغ. اليوم، يبدو أن مسبار 'نيوروبيكسلز أوبتو' (Neuropixels Opto)، الذي طوّره فريق عالمي من جامعة كوليدج لندن ومعهد ألين ونُشر في دورية Nature Methods، قد نجح أخيراً في سد هذه الفجوة .

النتيجة جهاز لا يكتفي بمراقبة نشاط الدماغ، بل يعيد كتابته بشكل فاعل بينما يصغي إلى العواقب عبر الشبكة العصبية بأكملها.

أكثر من مجرد قطب تسجيل: أداة 'تشويش وتسجيل'

يحزم كل مسبار من 'نيوروبيكسلز أوبتو' 960 موقع تسجيل كهربائي و28 باعثاً ضوئياً (14 للضوء الأزرق و14 للأحمر) على إبرة سيليكونية واحدة بعرض 70 ميكرومتراً وطول 1 سنتيمتر - أي أرفع من شعرة الإنسان . الشبكة الكثيفة لنقاط التسجيل تغطي مساحة أوسع بكثير من نسيج الدماغ مقارنة بالأقطاب التقليدية، بينما يتيح إيصال الضوء بلونين للباحثين تنشيط أو إسكات خلايا عصبية محددة باستخدام تقنية علم البصريات الوراثي (Optogenetics) على أعماق دقيقة قابلة للتحديد.

يكمن الاختراق الهندسي في طريقة إيصال الضوء. فبدلاً من تضمين مصدر ضوء على الشريحة نفسها - مما قد يطهو النسيج المحيط - يستخدم المسبار موجهاً ضوئياً (Photonic Waveguide) مدمجاً. يقوم ليزر خارجي بتغذية الضوء إلى الموجه، الذي يوجهه عبر الإبرة إلى 28 موقع إرسال . هذا التصميم يُلغي مشكلتي الحرارة والضوضاء الكهربائية اللتين ابتُليت بهما المحاولات السابقة لدمج الإلكترونيات والفوتونيات على نفس الجهاز.

وما ينتج عن ذلك هو ما يسميه مبتكروه بقدرة 'التشويش والتسجيل' (Perturb-and-Record): حفّز مجموعة محددة وراثياً من الخلايا العصبية في طبقة قشرية، وسجّل في الوقت نفسه التأثيرات المتتابعة عبر مئات الخلايا العصبية المحيطة - وحتى مناطق الدماغ البعيدة .

النتيجة المفاجئة: للتحفيز الموضعي عواقب غير موضعية

أظهرت الاختبارات المنهجية الأولى للمسبار على الفئران، والتي نُشرت في ورقة Nature Methods، أنه يمكنه تنشيط أو إسكات الخلايا العصبية بشكل تفاضلي على أعماق قشرية مختلفة . كان ذلك متوقعاً. لكن ما فاجأ الباحثين هو المدى الذي تنتقل إليه هذه التشويشات الموضعية.

في الجسم المخطط للفأر (Striatum) وبنى دماغية عميقة أخرى، قدم 'نيوروبيكسلز أوبتو' 'وسماً بصرياً' (Optotagging) فعالاً - أي التعرف على أنواع الخلايا المحددة وراثياً بناءً على استجاباتها المدفوعة بالضوء . الأهم من ذلك، كشف التسجيل الآني عبر 960 موقعاً أن التلاعب في عمود قشري موضعي يُحدث تأثيرات واسعة وغير موضعية على خلايا عصبية ومناطق دماغية بعيدة .

ولأن التقنيات السابقة أجبرت الباحثين على التحفيز بأداة والتسجيل بأخرى، كان من الصعب للغاية مراقبة أنماط الانتشار الشبكي هذه. يقوم 'نيوروبيكسلز أوبتو' بطي هذا الفصل في أداة واحدة، كاشفاً التعقيد الحقيقي لكيفية تموج التشويش الموضعي عبر دماغ حي.

كيف يمكن أن يُحدث تحولاً في أبحاث الأمراض

قدرة المسبار على الوصول إلى بنى الدماغ العميقة مع التسجيل والتلاعب آنياً بأنواع معينة من الخلايا تجعله أداة قوية لدراسة الحالات العصبية والنفسية التي تُعتبر اضطرابات على مستوى الدوائر العصبية.

مرض الزهايمر

الحُصين (Hippocampus) والقشرة الشمية الداخلية (Entorhinal Cortex) من أوائل البنى التي تتأثر بعلم أمراض الزهايمر. يمكن للإبرة الطويلة لـ'نيوروبيكسلز أوبتو' الوصول إلى هذه المناطق العميقة بينما تستهدف بواعثه الضوئية مجموعات معينة من العصبونات البينية المعروف أنها تتعطل بفعل تراكم بروتينات الأميلويد والتاو . من خلال التلاعب بتلك الخلايا وتسجيل استجابة الشبكة في الوقت الفعلي، يستطيع الباحثون بناء نماذج سببية لكيفية تدهور وظيفة الدائرة العصبية بفعل المرض - متجاوزين بذلك مجرد الربط الإحصائي.

مرض الباركنسون

يتميز الباركنسون بفقدان خلايا الدوبامين العصبية في المادة السوداء (Substantia Nigra) وأنماط إطلاق غير طبيعية في الجسم المخطط والعقد القاعدية (Basal Ganglia). يمكن إدخال 'نيوروبيكسلز أوبتو' في الجسم المخطط وبنى عميقة أخرى، ليقدم تحفيزاً بصرياً وراثياً دقيقاً مكانياً بينما يسجل من مئات الخلايا العصبية التي تمثل أنواعاً مختلفة من الخلايا ومسارات الدوائر . قد يساعد هذا في فك تشابك أنواع الخلايا المحددة التي تسبب الأعراض الحركية وكيفية تفاعلها عند فشل إشارات الدوبامين.

انفصام الشخصية

تتعلق إحدى الفرضيات الرئيسية لانفصام الشخصية بالعصبونات البينية الموجبة للبارفالبومين (Parvalbumin-positive Interneurons) ودورها في توليد تذبذبات تردد غاما التي تنسق الشبكات القشرية. يمكن لـ'نيوروبيكسلز أوبتو' تنشيط أو إسكات هذه العصبونات البينية الموسومة وراثياً بشكل مباشر مع التسجيل من مجاميع قشرية موزعة، مما يتيح اختبارات سببية لفرضية أن خلل هذه العصبونات البينية يكمن وراء الأعراض الإدراكية والحسية للاضطراب .

بدلاً من مجرد ربط النشاط العصبي بالسلوك أو علم الأمراض، يمكن للباحثين الآن أن يطرحوا - ويجيبوا - على أسئلة حول ما الذي تسببه أنواع معينة من الخلايا فعلاً عند حدوث خلل فيها. هذا الانتقال من الارتباط إلى السببية هو ما يجعل من 'نيوروبيكسلز أوبتو' قفزة نوعية حقيقية لعلم الأعصاب الانتقالي.