نشاط عصبي

الدماغ أشبه بمدينة، كل خلية فيها ساكن، ومصيره مرتبط بجيرانه. كان يُعتقد سابقاً أن شيخوخة كل خلية شأن خاص بها: تتراكم أضرار الحمض النووي، فتبلى الخلية من تلقاء نفسها. لكن دراسة جديدة تُظهر أن حتى قدرة الخلية على إصلاح حمضها النووي تعتمد على من يقطن بجوارها. فحص الباحثون شرائح من أدمغة فئران صغيرة وكبيرة السن بتقنية MERFISH، التي تتيح رؤية نشاط مئات الجينات في آلاف الخلايا في آن واحد، دون الإخلال بمواضعها.

الغابة تشيخ بطرق مختلفة. في مكان منها تتباعد الأشجار شيئًا فشيئًا، كأنها تعبت من النمو، وفي مكان آخر تتشبث بالحياة باصرار، وتنفق طاقتها على إصلاح الأغصان المتضررة. وعلى نحو قريب من هذا تبدو شيخوخة قشرة الدماغ إذا نظرنا إليها عبر آلاف صور الرنين المغناطيسي. أخذ العلماء صور 952 شخصًا سليمًا، وقسّموا القشرة إلى 148 منطقة. وقاسوا لكل منطقة ثماني سمات شكلية: السماكة والمساحة والحجم والانحناءات.

كومة من الصفحات قُلبت مرات عديدة تتذكر ذلك: بعض الأوراق تستوي بدقة، وبعضها ينتفخ، وفي أماكن تبقى ثنيات. هذا تقريبًا ما تفعله المواد الطبقية عندما تدخلها الأيونات. في دراسة جديدة، راقب العلماء رقائق مفردة من MXene، وهو كربيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد، ورأوا كيف يغير تاريخ دورات الشحن والتفريغ بنيتها. لهذا الغرض، بنوا مجهرًا يتتبع انعكاس الضوء من كل رقيقة بدقة تصل إلى أجزاء من المليون من الثانية.

تخيل أوركسترا كبيرة بلا قائد. كل عازف يسمع الآخرين ويتكيف مع الضجيج الجماعي. إذا كان كل آلة تضخم جيرانها، يرتفع الصوت حتى الصرير، وإذا كانت تخفض أحيانًا، فقد تتجمد الأوركسترا في صمت أو تنفجر في نشاز. هكذا تتصرف الشبكات العصبية تقريبًا، حيث تعمل الوصلات بين الخلايا كمقابض ضبط: بعضها يقوي الإشارة وبعضها يضعفها.

في جدار كل شريان يُعزف حفل موسيقي متواصل. الخلايا العضلية الملساء التي تبطن الوعاء من الداخل تبني في الوقت نفسه إطارًا داعمًا من الكولاجين، وتعيد ترتيب هيكلها الداخلي، وتستخرج الطاقة من الغلوكوز. ويقود هذا الأوركسترا بروتين NOTCH3 الجالس على سطح الخلية، يلتقط الإشارات من جيرانه. وإذا صمت القائد، لا يتفرق العازفون، لكن كل واحد منهم يبدأ يعزف على هواه.

في غرفة مظلمة داخل جهاز التصوير، يتابع الشخص ومضات نادرة على الشاشة. وتلتقط كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء صوراً لبؤبؤه ألف مرة في الثانية، بينما يسجل جهاز الرنين المغناطيسي في الوقت نفسه أي مناطق من الدماغ تنشط. وهكذا ساعد 89 متطوعاً تتراوح أعمارهم بين 19 و78 عاماً العلماء على رؤية كيف يتحول البؤبؤ إلى شاشة يعرض عليها الدماغ إشارتين مختلفتين.

في حفل مزدحم، يعيد شخص مسنّ السؤال على محدّثه مرارًا: الكلمات تغرق في ضجيج الأصوات. هكذا يبدو الجسر الذي يعبر عليه الصوت من الأذن إلى المعنى. ما دام هذا الجسر متينًا، فإن الضجيج يعيق فحسب، لكنه لا يقطع الحديث. ومع التقدّم في العمر تبلى دعامات الجسر، وأول ما ينهار منها تلك التي تحمل لا السمع وحده، بل القدرة على التفكير نفسها.

الكاشف فائق التوصيل يعمل عادةً كمسطرة أمينة: يمتص فوتونًا فيصدر نبضة، سعة تتناسب تناسبًا صارمًا مع الطاقة. هذا الوضع مريح، لكن له سقف: الإشارة الضعيفة تضيع بسهولة في ضجيج المضخم. الآن لنتخيل أرجوحة. طالما تتأرجح بها بلطف، فإنها تعود بطاعة إلى النقطة السفلية.

يمكن تخيل الدماغ كأوركسترا، حيث القائد هو قشرة المخ، والمهاد هو الكمان الأول. المهاد هو محطة ترحيل مركزية: يستقبل الإشارات الحسية، بما في ذلك الإشارات البصرية من العينين، وينقلها إلى مناطق القشرة المناسبة، مثل القشرة البصرية. لكن الاتصال ليس باتجاه واحد: فالقشرة قادرة على إرسال أوامر عائدة، لضبط المهاد وفقًا للمهمة الحالية. ظل هذا فرضية لفترة طويلة، لكنه الآن اختُبر لأول مرة على البشر.

يبطن النسيج الطلائي أعضاءنا كما تبطن البلاطات الأرضية. في حالة السكون، تتماسك الخلايا مع بعضها البعض، ويكون النسيج مرنًا. لكن أثناء تطور الجنين أو التئام الجروح أو نمو الأورام، تبدأ هذه الطبقة في التدفق مثل العسل الكثيف. ما الذي يطلق هذا التليين بالضبط؟ قد تدفع الخلايا بعضها عشوائيًا، أو تتحرك بشكل منسق في اتجاه واحد، أو تنقبض بشكل فوضوي، أو تستجيب لتمددها الذاتي فتُطلق موجات انقباض.

عندما تصل موجة صوتية إلى الأذن، تبلغ القوقعة — وهي عضو حلزوني في الأذن الداخلية مملوء بسائل. داخل القوقعة يوجد الغشاء القاعدي — حاجز رقيق مرن يهتز بفعل الصوت. لكنه ليس وترًا سلبيًا: الغشاء يضخ الطاقة بنفسه في الاهتزازات الضعيفة ويتوقف عن ذلك عندما تصبح الاهتزازات قوية. بفضل هذا السلوك غير الخطي النشط، تلتقط الأذن الهمس والكلام العالي دون تشبع.

يرمي شخصٌ عملة معدنية لـاتخاذ قرار. وهو واقف في مكانه، يرى وجه العملة. يخطو بضع خطوات — ثم يرمي مرة أخرى. يبدو بديهيًا أن المشي لا ينبغي أن يؤثر على نتيجة الرمية. لكن ماذا لو كانت الجولة نفسها تغيّر مدى تكراره لقراره السابق؟ هذا ما اختبره الباحثون تحديدًا. دعوا 90 شخصًا للعب لعبة كمبيوتر: كان عليهم تخمين أيّ من الزرّين يحقق ربحًا أكثر.

يمكن جعل جرس مخبأ في صندوق سميك يرن دون فتح الغطاء. يكفي إرسال موجة صوتية عبر الجدران — وسيهتز اللسان. هكذا تقريبًا يعمل التحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة: يمر الصوت عبر عظام الجمجمة ويجعل الخلايا العصبية — الخلايا القابلة للاستثارة الكهربائية — في عمق الدماغ "ترن"، أي تولد نبضات كهربائية.

في الامتدادات الطويلة للخلية العصبية العصبون – التغصنات – تتنقل سعاة صغيرة باستمرار. هذه هي جزيئات الرنا المرسال RNA – الرنا المرسال، أو mRNA – التي تحمل تعليمات تصنيع البروتينات. يبدأ مسارها في جسم الخلية وينتهي عند المشابك – نقاط الاتصال المتخصصة مع الخلايا العصبية الأخرى.

العصبون الذي ينقل الإشارة يشبه بطارية صغيرة تفرغ وتشحن بسرعة. لنحو سبعة عقود، كان يُعتقد أن مرحلة إعادة الشحن تتم بواسطة «صمام بوتاسيوم» خاص — قناة أيونية تفتح بتأخير. العمل الجديدة تؤكد: هذا التيار شبح، قطعة أثرية للتفسير. نشأ لأن غشاء العصبون اعتُبر مكثفًا بسيطًا، متجاهلين هندسته المعقدة. الخطأ كان مختبئًا في النموذج الكهربائي.

ملعب ممتلئ بالمتفرجين يسمع صوت المُعَلِّق لأول مرة — فيهبّ الجميع دفعة واحدة. ثم يتكرر الإعلان مرة بعد أخرى. فلا يستجيب إلا حفنة من الناس في الصفوف القريبة. تقريبًا بهذا الأسلوب تتصرف الشبكات العصبية في العضيات الدماغية (cerebral organoids) — تلك النماذج المصغرة من الدماغ المُنمَّاة في المختبر. قام الباحثون بتحفيز العضيات بنبضات كهربائية وسجلوا الاستجابة بواسطة مصفوفة من الأقطاب الدقيقة.

البكتيريا، مثل الإشريكية القولونية، تسبح نحو مصدر الغذاء. الإشارة الكيميائية - تدرج تركيز المادة المغذية - تقودها إلى الأمام، لكن مع كل حركة تتغير الإشارة لأن البكتيريا تنتقل في المكان. تنشأ حلقة تغذية راجعة: إحساس ← فعل ← إحساس جديد. حوّل مؤلفو العمل هذه الحلقة إلى كمية قابلة للقياس، مطبقين فكرة من نظرية المعلومات.

سحابة من الذرات مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق تبدأ فجأة في التصرف كدماغ. ذرة مثارة واحدة تشعل تفاعلًا متسلسلًا — الجيران «يشتعلون» تلو الآخر، وتجري عبر الغاز انهيارات جليدية من النشاط. يسمي الفيزيائيون هذا بالتيسير الريدبيرغي: الذرات تُثار بسهولة أكبر إذا كان بجوارها ذرة مثارة بالفعل.

دماغ المتأمل هو أوركسترا، والانتباه هو قائدها. عندما تركز على التنفس، تعزف جميع الآلات بتناغم. لكن فجأة، تعزف آلة التشيلو نغمة نشازًا — هذا هو شرود الذهن. القائد المتمرس لا يصاب بالذعر: بل يلتقط التنافر فورًا ويعيد الأوركسترا بلطف إلى اللحن الرئيسي — التنفس. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذه العملية.

بعد إلقاء حجر، تختفي الدوائر على الماء، لكن السائل يحتفظ بذبذبات مجهرية. هبّة هواء صغيرة — ويعود التموّج مجدداً. تتصرف شبكات الخلايا العصبية بطريقة مشابهة. عندما تخفت الإشارات الكهربائية، تبقى ذكراها في نقاط التلامس — المشابك العصبية. مثل الماء بعد عاصفة، تخفي هذه الآثار طاقة كامنة. أظهر العلماء: من خلال لقطة واحدة لحالة الروابط، يُمكن التنبؤ بدقة متناهية إن كانت موجة جديدة من النشاط ستنشأ.

لفهم مبادئ عمل الدماغ، من الضروري معرفة مخطط اتصالات الخلايا العصبية بالتفصيل — وهو ما يُعرف بالكونيكتوم. الطريقة التقليدية تشبه محاولة اكتشاف بنية نظام ري ضخم في حديقة، بفتح كل حنفية على حدة وملاحظة أين يتدفق الماء.

تخيّل مسرحًا قديمًا وسط ضباب رطب. على الخشبة ممثلون متفرقون، لكن شعاع الكشاف لا يلتقط إلا واحدًا منهم، ليجعله يتجمد في بقعة مضيئة. أما الباقون فيحتشدون في العتمة، مستعدين للتلاشي في أي لحظة. هذه الصورة هي مفتاح أحد أكثر نماذج الوعي طموحًا، المبني بلغة ميكانيكا الكم.

في عام 1905، أظهر أينشتاين أن الحركة العشوائية لحبوب اللقاح في الماء هي نتيجة اصطدام جزيئات غير مرئية. وبعد قرن من الزمان، تعلم الفيزيائيون ليس فقط مراقبة الحركة، بل والتحكم بها على المستوى الكمومي.

يرسل العصبون إشارة إلى جاره. لكن الجار لا يرد فورًا — فالنبضة تجري عبر الزائدة بسرعة محدودة، مثل رسالة تتأخر في الطريق. عادةً ما يُعتبر هذا التأخير عائقًا، لكنه في الدراسة الجديدة يصبح قائد الأوركسترا. عندما يرتبط عصبونان قابلان للاستثارة بتأخير، ينشأ بينهما إيقاع تلقائيًا. تبدأ الخلايا بالنبض معًا — إما بتناغم صارم، أو في طور متعاكس، مثل بندولين يتأرجحان في اتجاهين متعاكسين.

عندما يغادر قائد الأوركسترا الفرقة، يستمر العازفون في العزف من الذاكرة لبعض الوقت. لكن دون إيقاع موحد، يبدأ كل واحد في التسارع أو التباطؤ من تلقاء نفسه، وتتحول السيمفونية المتناغمة إلى ضجيج متفرق. تقريبًا هكذا، وفقًا لدراسة جديدة، يتصرف الدماغ والقلب في الساعات الأخيرة من حياة الإنسان.

كاميرا الهاتف الذكي تصور كل شيء دون تمييز، بينما العين تركز فورًا على المهم. الشبكية لا تنقل الصورة إلى الدماغ فحسب، بل تقوم في مكانها بإبراز الحواف، وتخفيف الضوضاء الزائدة، والتكيف مع السطوع. لطالما حاول المهندسون تكرار هذه الحيلة في عتاد «ذكي» لتستهلك الكاميرات طاقة أقل وتتخذ قرارات أسرع.

رسام يرسم لوحة وهو يراقب المشاهد في القاعة. إذا ابتسم المشاهد، يضيف الرسام إلى اللوحة مزيدًا من الأحمر والخطوط المستديرة، وإذا عبس، يزيل الأزرق ويكسر الزوايا. تقريبًا بهذه الطريقة، «يستجوب» علماء الأعصاب الخلايا العصبية في القشرة البصرية، لكن بدل الألوان يستخدمون مئات الآلاف من الصور، وبدل الابتسامة يستخدمون نبضة كهربائية.

تعزف الأوركسترا دون قائد. لكل عازف نوتة موسيقية — وهي الجينات. أما شدة الصوت والإيقاع فيعتمدان على صوتيات القاعة والمزاج والجيران على المسرح. هكذا تقريبًا تخلق الوراثة والحياة اليومية معًا سلوك المراهق. في الدراسة الجديدة، جمع العلماء بيانات آلاف الأطفال من مشروع ABCD طويل الأمد.

في أي مجموعة هناك ثلاثيات غير معلنة: ثلاثة أصدقاء دائمًا معًا. وهناك أزواج تعمل بشكل مستقل. واتضح أن مدى «احتواء» الثلاثيات للأزواج يحدد كيفية انتشار كل شيء في المجموعة — من الفيروس إلى الفكرة الجديدة. أدخل العلماء مقياسًا أطلقوا عليه اسم معامل التداخل (nesting coefficient). يبيّن هذا المعامل كم مرة تتكرر الروابط داخل الثلاثي في الروابط الثنائية.

الدماغ مبني كمبنى متعدد الطوابق: الطوابق السفلية تعالج الإشارات البسيطة، بينما تجمعها الطوابق العلوية في صور معقدة. لطالما اشتبه العلماء في أن هذا الترتيب مرتبط بكيفية عمل الخلايا العصبية معًا. لكن كيف بالضبط، بقي لغزًا. سجّل الباحثون النشاط الكهربائي لآلاف الخلايا العصبية في القشرة البصرية والحُصين لدى الفأر.

داخل كل عصبون يوجد قناة طويلة رفيعة — المحور العصبي (الأكسون) — ينتقل عبره الإشارة من جسم الخلية إلى الخلايا الأخرى. ولكي تعمل هذه القناة، تتنقل عبرها باستمرار الميتوكوندريا — وهي عضيات صغيرة تنتج الطاقة. تتحرك في الاتجاهين، مثل السيارات على طريق ضيق.

الخلية التي تستعد للانقسام ترسم لنفسها أولًا خطّ الخصر. تحت غشائها، في هلام رقيق من الخيوط البروتينية، يبدأ الحركة. تنساب الخيوط مثل نهر بطيء، ويتشكّل حزام في منتصف الخلية. يزداد انقباض هذا الحزام شيئًا فشيئًا حتى تنقسم الخلية إلى نصفين. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذه العملية. لاحظوا أن حلقة الخيوط تنشأ تلقائيًا إذا كانت الخيوط موضوعة في البداية باتجاه واحد.

الخلية العصبية التي هدأت للتو تشبه عازف بيانو رفع يديه عن المفاتيح. لكن داخلها يستمر عمل صامت: مضخات صغيرة تضخ أيونات الكلور إلى الخارج، لتعيد الآلة إلى حالة الاستعداد. إذا عجزت المضخات، يتراكم الكلور — وعندها تبدأ الإشارة المثبطة، التي كان من المفترض أن تهدئ الخلية، فجأة في إثارتها. هذه المفارقة، كما كشفت دراسة جديدة، تتحكم في تطور نوبة الصرع.

الخلية العصبية تدرك الإشارات الكهربائية، تماماً كميكروفون فائق الحساسية يلتقط أدق الاهتزازات. «جهاز سمعها» هو القنوات الأيونية، وهي مسام بروتينية في الغشاء الخلوي تفتح استجابةً للتغير في الجهد عبر الغشاء الناتج عن حركة الجسيمات المشحونة. ومع ذلك، فإن هذا التدفق الأيوني يصاحبه حتماً تشويش يحد من دقة معالجة المعلومات.

سكين المطبخ والمقشرة كل منهما يتعامل مع مهام مختلفة، لكن عندما يتعلم الطباخ وصفة جديدة، غالبًا ما يمسك بنفس السكين لكل شيء. يبدو أن الدماغ يفعل الشيء نفسه عندما يكتسب مهارة جديدة في تمييز الأنماط. في التجربة، تدربت القرود لأسابيع على تمييز اختلافات بالكاد ملحوظة في أنماط معقدة.

ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) مخلوق صغير بدماغ بحجم بذرة الخشخاش. يحتوي على حوالي مئة ألف خلية عصبية، وقد رسم العلماء خريطة كاملة لوصلاتها، تمامًا كخريطة مترو الأنفاق حيث المحطات هي الخلايا العصبية والخطوط هي الوصلات بينها. تُسمى هذه الخريطة بالكونيكتوم (connectome).

داخل كل خلية يوجد هيكل من الخيوط، مثل السقالات التي تمنحها شكلها وتسمح لها بالحركة. تربط هذه الخيوط بروتينات رابطة: بعضها يمسكها معًا فقط، مثل الحبال، والبعض الآخر يعمل كمحركات صغيرة تزحف على الخيوط وتسحبها نحو بعضها البعض. تعتمد قدرة الخلية على الانقسام أو الزحف أو تغيير شكلها على مدى انسجام عمل هذا الفريق.

في الليل، لا ينطفئ الدماغ. بدلاً من ذلك، يراجع أحداث اليوم، مثل أمين المكتبة الذي يرتب الكتب على الرفوف. ولكن من أين تأتي الصور الغريبة، وأحياناً العبثية، في الأحلام؟ اعتقد الكثيرون أنها مجرد ضجيج عشوائي لا أهمية له. يُظهر نموذج حاسوبي جديد أن العشوائية لا تعيق، بل تساعد. يأخذ الدماغ الإشارات العشوائية ويحولها إلى خبرة مفيدة.

مكتب يتبادل فيه الموظفون المذكرات. ما دامت المهام قليلة، يعمل كل واحد بمفرده. ولكن يأتي طلب عاجل — وتبدأ بعض الأقسام في إرسال الرسائل بنشاط إلى أقسام أخرى، ويصبح العمل الجماعي أكثر انسجامًا. هذا تقريبًا ما يفعله الدماغ عندما نحاول الاحتفاظ بعدة أشياء في أذهاننا في الوقت نفسه. وجد العلماء طريقة للاطلاع على هذه "المراسلات".

يحاول الإنسان ألا يفكر في شجار حدث في الصباح، لكن صورًا حية تقتحم ذهنه. وفي الوقت نفسه، يعدّ تقريرًا ويحتفظ بأرقام في ذهنه. والنتيجة سيئة: الذاكرة تعيق العمل، والعمل لا يسمح بالنسيان. قرر العلماء اختبار كيف يتعامل الدماغ مع هذا العبء المزدوج لدى أشخاص بمستويات مختلفة من القلق. شارك في التجربة 47 متطوعًا أصحاء. عُرضت عليهم صور ممتعة وغير ممتعة، ثم طُلب منهم إما تذكر الصورة أو كبت ذكراها.