كيف رسم العلماء خريطة كل خلية عصبية في الجهاز العصبي المركزي لذبابة فاكهة ذكر؟

المخطط الاتصالي العصبي الكامل، أو الكونكتوم، ليس مجرد صورة للدماغ؛ بل هو مخطط أسلاك على مستوى الخلايا يبيّن أي الخلايا العصبية تتصل ببعضها. وتعرض الخريطة الجديدة للجهاز العصبي المركزي لذبابة الفاكهة (Drosophila) الذكر الدماغ المركزي والفصوص البصرية والحبل العصبي البطني في حيوان واحد بوصفها منظومة متصلة. وهي تضم 166,691 خلية عصبية خضعت للمراجعة الكاملة، و11,691 نوعاً خلوياً موصوفاً، و125 مليون اتصال مشبكي. 25

الإنجاز الأهم: جهاز عصبي متصل من طرف إلى طرف

أثبتت بيانات سابقة أن رسم كونكتوم لدماغ الذبابة كاملاً ممكن. فقد أعاد مشروع خريطة دماغ أنثى بالغة بناء 139,255 خلية عصبية ونحو 50 مليون مشبك كيميائي. 7

لكن مورد الذكر يوسّع نطاق الدراسة في اتجاهين مهمين: فهو أكبر من حيث عدد الخلايا العصبية، كما أنه يشمل الحبل العصبي البطني مع الحفاظ على الوصلة العصبية عبر العنق التي تربطه بالدماغ. والحبل العصبي البطني هو أقرب نظير لدى الذبابة للحبل الشوكي لدى الثدييات. وبذلك يستطيع الباحثون تتبع الدوائر من معالجة الإحساس والمراكز الدماغية العليا إلى المسارات المرتبطة بالحركة والسلوك، بدلاً من التعامل مع الدماغ والحبل العصبي كخريطتين منفصلتين. 2

كيف حوّل الفريق إعادة بناء هائلة إلى مورد قابل للاستخدام؟

جاء المشروع تتويجاً لنحو عقدين من العمل في جانليا (Janelia) وشركائها، بمن فيهم باحثون من Google Research ومختبر MRC للبيولوجيا الجزيئية وجامعة كامبريدج.

ولم يعتمد الإنجاز على تقنية واحدة، بل على سلسلة عمل مترابطة:

• المجهر الإلكتروني: أنتج صوراً بدقة تسمح بتمييز الخلايا العصبية ووصلاتها المشبكية. ويعتمد برنامج FlyEM على هذه التقنية لرسم الخلايا والمشابك عبر الجهاز العصبي لذبابة الفاكهة. 8
• الحوسبة المدعومة بالذكاء الاصطناعي: ساعدت في تحويل بيانات الصور إلى إعادة بناء أولية للخلايا، وفي إنجاز عمل يتجاوز بكثير ما يمكن أن يحققه التتبع اليدوي وحده. وتصف Google التعاون بأنه شراكة امتدت عقداً لتوظيف الحوسبة والذكاء الاصطناعي في بناء خرائط دماغية على المستوى الخلوي.
• المراجعة البشرية والتعليق العلمي: حوّلت نواتج الحوسبة إلى مورد علمي نهائي. فالبيانات موصوفة بأنها خضعت للتدقيق الكامل والتعليق الشامل، وهو فارق جوهري بينها وبين إعادة بناء آلية غير متحقق منها. 25
• تصنيف أنواع الخلايا والوسم الجزيئي: جعل مخطط الأسلاك قابلاً للتفسير البيولوجي. ويشمل الأطلس تعليقات مرتبطة بجيني تحديد الجنس fruitless وdoublesex. 5

الخلاصة العملية: جعل الذكاء الاصطناعي هذا الحجم من العمل قابلاً للإنجاز، لكن مراجعة الخبراء هي التي جعلت الخريطة موثوقة بما يكفي لطرح أسئلة بيولوجية دقيقة.

ماذا تكشف المقارنة بين الذكور والإناث؟

إلى جانب كونكتوم دماغ الأنثى المنشور سابقاً، تسمح خريطة الذكر بإجراء مقارنات مباشرة عند دقة المشبك العصبي. وطابقت الدراسة 7,319 نوعاً خلوياً في الدماغ المركزي، ووجدت أن 7,205 منها متماثلة البنية بين الجنسين، و114 مختلفة جنسياً، إضافة إلى 262 نوعاً خاصاً بالذكور و69 نوعاً خاصاً بالإناث. 5

وهذا يفتح طريقاً للتمييز بين احتمالين لا تكفي دراسات السلوك وحدها للفصل بينهما: فقد ينشأ سلوك ما من نوع عصبي موجود في جنس دون الآخر، أو من نوع موجود لدى كليهما لكنه مرتبط بأسلاك مختلفة. كما توفر تعليقات fruitless وdoublesex مرجعاً جزيئياً إضافياً لدراسة الدوائر العصبية ذات الفروق الجنسية. 56

من التذوق إلى قرار التغذية

تكمن قيمة خريطة الجهاز العصبي الكامل أيضاً في إمكان وصلها بتجارب تقيس نشاط الخلايا. فقد أظهر عمل يجمع الكونكتوم الكامل للدماغ مع تصوير الكالسيوم أن كثيراً من الخلايا العصبية المبكرة المستجيبة للطعم في المنطقة تحت المريئية ترمّز لنمط طعم واحد، بما في ذلك العصبونات البينية المحلية والعصبونات الإسقاطية.

ووجد تحليل اتصالي ذي صلة أن عصبونات الطعم من الرتبة الثانية تبقى، إلى حد كبير، منفصلة بحسب نمط الطعم في هذه المنطقة. أما عصبونات الرتبة الثالثة فتمتد إسقاطاتها على نطاق أوسع خارجها، وتظهر تداخلاً أكبر بين أنماط الطعم؛ وهو تنظيم قد يساعد على تحويل إشارات التذوق إلى قرارات مرتبطة بالتغذية.

ويصف تقرير مرافق أيضاً تتبع إشارات الطعم وصولاً إلى مسارات حركية تشارك في التغذية، ويحدد طرقاً محتملة يمكن أن تفسر إفراز الإنسولين الاستباقي قبل امتصاص المغذيات. لكن الأدلة المعروضة تدعم ذلك كتفسير محتمل على مستوى الدوائر، لا كآلية محسومة لإشارات الإنسولين.

ما الذي تعنيه الخريطة — وما الذي لا تعنيه — لأدمغة أكبر؟

تقدم خريطة الذكر نموذج عمل عملياً لعلم الكونكتوم: تصوير عالي الدقة، وإعادة بناء آلية قابلة للتوسع، ومراجعة صارمة، وتعليقات موحدة، وأدوات تسمح للباحثين الآخرين بالاستعلام عن البيانات وإعادة استخدامها. والمورد متاح للاستكشاف التفاعلي وللوصول البرمجي إلى البيانات. 1

لكن هذا لا يعني أن كونكتوماً كاملاً لفأر أو لإنسان بات قريباً بالضرورة. فالأدمغة الأكبر تفرض تحديات أشد بكثير في حجم الأنسجة والتصوير وإعادة البناء والتخزين والحوسبة وضبط الجودة. مع ذلك، يمثل عمل الذبابة اختباراً واقعياً شاقاً لسلسلة العمل التي ستحتاجها المشروعات المقبلة، ولا سيما في الأنظمة التي يمكن فيها دراسة البنية التشريحية والنشاط العصبي والسلوك معاً.

والتقدم الدائم هنا ليس مجرد رقم قياسي في عدد الخلايا العصبية، بل خريطة قابلة للبحث ومدققة تربط الدماغ بالحبل العصبي في حيوان واحد، وتمنح الباحثين مرجعاً مشتركاً لاختبار كيف تنتج أسلاك الجهاز العصبي سلوكاً خاصاً بالجنس وقرارات حسية وحركة. 25