الخلايا العصبية والإدراك q-bio.NC

أهدتنا ميكانيكا الكم صورة ساحرة: حالة النظام ليست نقطة جامدة، بل موجة من الاحتمالات ترقص في فضاء تجريدي. بفضل أعمال شرودنجر وديراك نصورها بمتجهات في فضاء هيلبرت. لكن عندما يحين القياس، تتوقف الرقصة فجأة – تنطوي الموجة إلى حقيقة حادة.

في عام 1935، وبينما كان إرفين شرودنغر يتأمل معادلات ميكانيكا الكم، لاحظ شيئًا غريبًا: يمكن أن يكون جسيمان مرتبطين ارتباطًا وثيقًا بحيث تحدد حالة أحدهما حالة الآخر فورًا، حتى لو فصل بينهما كيلومترات. أطلق على هذه الظاهرة اسم «التشابك» واعترف بأنه لا يعتبرها خاصية للواقع، بل عيبًا في النظرية.

قبل محادثة مهمة، يمد الإنسان يده إلى هاتفه لكنه لا يطلب الرقم. في داخله توجد بالفعل عدة صيغ للجمل، لكن لم تُختر واحدة. هذه الحالة — حين توجد الخيارات لكن لا ينتصر أيٌّ منها — يسميها المؤلفون «متغيرات شاردة». لوصف ذلك بلغة الرياضيات، يبنون رسمًا بيانيًا: العُقد هي الصور والكلمات والذكريات، والروابط بينها تعبّر عن مدى قربها. ومع مرور الوقت يتغير الرسم البياني كما يتغير الترتيب الداخلي.

في غرفة العمليات يسود الصمت. يُنزل الجراح ببطء إبرة أرفع من شعرة الإنسان إلى دماغ المريض. في طرفها ليس سنًا حادًا، بل سياج كامل من تسعمائة وستين ميكروفونًا مجهريًا. كل واحد منها يستمع إلى رقعة صغيرة من المادة الرمادية. هكذا، ولأول مرة في العالم، دخل مسبار Neuropixels إلى دماغ إنسان حي — وهو جهاز كان يعمل سابقًا على الفئران والقرود فقط. وافق تسعة مرضى على التجربة.

تشبه القشرة الدماغية ورقة مجعّدة: لها سُمك وانحناءات وعمق للطيات. مع التقدم في العمر، تتغير هذه الورقة بشكل غير متساوٍ — في بعض الأماكن تزداد رقة، وفي أخرى تفقد وضوح انحناءاتها. سابقًا، كان الأطباء يقيّمون عمر الدماغ ككل، وكأنهم ينظرون إلى الورقة من بعيد. أما الآن، فتدقق الشبكة العصبية في كل نقطة على السطح بخطوة مقدارها 1.37 ملم — مثل عدسة مكبرة تُظهر شيخوخة المناطق الفردية.

منطقة في الدماغ بحجم حبة البازلاء تجعل الفأر يتجمد في منتصف خطوته. يسلط شعاع الليزر على خلايا حساسة للضوء، فيتوقف الحيوان وكأنه اصطدم بجدار غير مرئي. هكذا تعمل النواة السقيفية الجسرية الذنبية (rostral pedunculopontine nucleus) — مجموعة من الخلايا العصبية في جذع الدماغ تتحكم في الحركة. قام مؤلفو الدراسة ببناء جهاز غير مكلف يتكون من كاميرا وحاسوب صغير.

المحقق يبحث عن مجرم في ملفات الصور، لكن الصور مختلطة. عادةً ينتظر شخصًا بلحية رمادية، بينما المجرم شاب بلا لحية. هكذا، كثيرًا ما يفشل الأطباء في التعرّف على مرض ألزهايمر لدى من تظهر عليهم أعراض غير معتادة: ليس فقدان الذاكرة، بل مشاكل في الرؤية أو الكلام. يرتبط مرض ألزهايمر عادةً بتراكم بروتينين في الدماغ: أميلويد وتاو.

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.

يتراكم الدماغ خلال النهار انطباعات، مثلما تتراكم الأشياء في الغرفة. وفي الليل، أثناء النوم العميق، لا يكتفي بالراحة، بل يرتب الأمور: يفرز أحداث اليوم ويقرر ما يحتفظ به وما يتخلص منه. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا للدماغ يتعلم أثناء النهار من عدة أمثلة، وفي الليل "يعيد مشاهدة" هذه الأمثلة كما لو كان يرى أحلامًا.

عند الانتقال إلى شقة جديدة، لا يتعلم الإنسان من جديد فتح الأبواب أو تشغيل الأضواء. فالتجربة من المنزل القديم تنتقل تلقائيًا: المطبخ هو مكان به موقد وحوض، وغرفة النوم هي مكان به سرير. لا يخزن الدماغ خريطة دقيقة، بل مخططًا مرنًا يطبقه على الفضاء غير المألوف. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذا النقل. يتكون من طابقين. الطابق العلوي هو المهمة المجردة: العثور على الطعام، تذكر الزاوية الآمنة.

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".

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.

يرقة سمكة الزرد شبه شفافة، ويمكن رؤية دماغها تحت المجهر. ولكن حتى في مثل هذا الكائن الصغير، تكون الوصلات العصبية متشابكة لدرجة يصعب معها فهمها يدويًا. لجأ العلماء إلى حيلة ذكية: صنعوا نسخة حاسوبية دقيقة من هذه اليرقة، حيث تُعرف كل وصلة. فكانت النتيجة ساحة اختبار افتراضية للتحقق من الطرق. أُطلق على هذه الساحة خوارزمية تبحث بنفسها عن الأنماط.

في دماغ كل واحد منا شبكة غير مرئية تُثبّت الخلايا العصبية في مواضعها وتضع لها قواعد التواصل. هذه الشبكة هي المصفوفة خارج الخلوية (extracellular matrix)، أي المحيط البروتيني للخلايا. في الشباب تكون مرنة كشريط مطاطي جديد، وتتيح للوصلات بين الخلايا العصبية أن تُعاد بناؤها بسهولة كلما تعلّمنا شيئًا جديدًا. لكن مع التقدّم في العمر يتغيّر شيء ما: يتحوّل الشريط إلى قاسٍ، وتبدأ الذاكرة تتعثّر.

نموذج اللغة هو بنية متعددة الطبقات، حيث تعالج كل طبقة الكلمات بطريقتها الخاصة. في بداية التدريب، تكون الطبقات فوضوية، لكنها تدريجيًا تنتظم في فريقين. الفريق الأول يعمل ببساطة: هندسته الداخلية تتماسك وتصبح أقل تشابكًا. بينما يظل الفريق الثاني معقدًا ومتشعبًا. الطبقات ذات الهندسة البسيطة كانت أفضل المتنبئين بنشاط مناطق اللغة في الدماغ.

عندما ترسم اليد خطًا، تكاد النظرة دائمًا أن تسبقها — مثل كشاف يتقدم ليرى ما خلف المنعطف قبل أن يصل إليه الجيش. ولكن إلى أي مدى تتقدم النظرة؟ اتضح أن لكل شخص مسافة مختلفة، وهي لا تتغير من محاولة إلى أخرى. في التجربة، قام خطاطون محترفون وأشخاص عاديون بتتبع محيط على الشاشة، بينما سجّلت الأجهزة حركات العين والقلم.

في أوركسترا الدماغ المتقدم في السن، تخرج الآلات عن الضبط واحدة تلو الأخرى. الأوعية التي تنقل الأكسجين تترقّق. وعزل الألياف العصبية، مثل غلاف الأسلاك القديمة، يفقد كثافته. والورشة المسؤولة عن توليد خلايا عصبية جديدة، الواقعة في الحُصين (hippocampus)، تبطئ خط إنتاجها. أما قائد هذه الأوركسترا، كما تبيّن، فليس في الرأس بل في البطن.

دماغ كل إنسان مغطى بالتلافيف، مثل بصمة الإصبع — بنمط فريد خاص به. عند الخرف، يتغير هذا النمط، لكن في مرضين متشابهين، الزهايمر والخرف المصحوب بأجسام ليوي، تكون التغييرات شبه متطابقة بالعين المجردة. يحتاج الأطباء إلى طريقة موثوقة للتفريق بينهما، لأن العلاج مختلف. لفت العلماء انتباههم إلى نقاط خاصة تلتقي عندها ثلاث تلافيف في آن واحد — مثل هذه التقاطعات على سطح الدماغ.

فأر يجري على المضمار — ليس لأن محركًا يدفعه، بل لأنه هو من أراد ذلك. على جمجمته شبكة من 32 حساسًا صغيرًا، تشبه قبعة السباحة لكن بأسلاك. تلتقط الحساسات الموجات الكهربائية الضعيفة التي يصدرها الدماغ. سابقًا، لفهم السرعة التي يجري بها الحيوان، كان لا بد من زرع أقطاب كهربائية مباشرة في الدماغ. الآن اتضح أن مجرد وضع الحساسات على الرأس يكفي — وكل شيء يصبح واضحًا.

يشبه الدماغ مدينة ضخمة: المناطق والأحياء تتواصل مع بعضها عبر الشوارع والمسارات العصبية. إذا تعطلت إشارات المرور عند تقاطع ما، يتجمد الحركة. وكذلك في الدماغ: إذا كانت حزم الألياف العصبية (المادة البيضاء) لا تعمل بشكل جيد، تتوقف المناطق البعيدة عن العمل بتناغم، ويصبح التفكير متعثرًا. أخذ العلماء صورًا للدماغ لدى الشباب وقسموا جميع المسارات العصبية إلى مجموعات بناءً على مدى تزامن نشاطها.

يحاول البعض أحيانًا رؤية الاكتئاب في الموجات الكهربائية للدماغ. المنطق بسيط: إذا كان للمرض مراحل — حادة، وصيانة، وتعافٍ — فإن الإشارات يجب أن تتغير تدريجيًا، مثل شدة الصوت عند إدارة المقبض. أخذ العلماء تسجيلات تخطيط كهربية الدماغ (EEG) لـ 74 شخصًا: 24 في المرحلة الحادة، و23 في مرحلة الصيانة، و27 أصحاء. واختبروا ما إذا كانت المؤشرات التقليدية للموجات تتناقص أو تتزايد على درجات من المرض إلى الطبيعي.

يحتوي دماغ الفأر على حوالي 70 مليون خلية عصبية، والروابط بينها موزعة بشكل غير متساوٍ إطلاقًا: بعض الخلايا لديها بضع عشرات من الاتصالات فقط، بينما البعض الآخر لديه آلاف. الأمر يشبه مدينة فيها أزقة هادئة وساحات مزدحمة. لكن حتى الآن لم يكن واضحًا كيف يؤثر هذا التباين على عمل الدماغ نفسه. قام الباحثون ببناء نموذج حاسوبي يمكن فيه جعل الروابط بين الخلايا أكثر أو أقل عدم انتظام.

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.

لا تتعامل الخلايا العصبية في الدماغ والعقد في الشبكات العصبية الاصطناعية مع 'نعم' و'لا' فقط، بل مع كميات تتغير بسلاسة: أين يقع الشيء بالضبط، وما حجمه. لكن الاستجابة العصبية شيء متقلب: فالمثير نفسه يسبب دفعات نشاط مختلفة قليلاً في كل مرة. كيف يُستخرج من هذه الفوضى معلومات دقيقة؟ نشاط مجموعة من الخلايا العصبية يشبه رسمًا على الرمل. الرياح، أي الضوضاء، تعمل باستمرار على طمس الخطوط.

الدماغ في حالة الراحة لا يصمت: مناطقها تتحاور، ويمكن التنصت على هذه الأحاديث باستخدام الماسح الضوئي. عادةً ما يتابع العلماء قوة الإشارة — أي مدى ارتفاع "صوت" كل منطقة. لكن للحديث أيضًا إيقاع: بعض المناطق تومض في الوقت نفسه، وأخرى بتأخير. يُلتقط الإيقاع بمقارنة أطوار التذبذبات — كما في الموسيقى، حيث لا تهم النوتات فحسب، بل أيضًا تطابق الإيقاعات.

النموذج المعتاد للتعلم الآلي ينظر إلى كائن واحد في كل مرة: دماغ واحد، مريض واحد، محرك واحد. لكن علماء الأحياء يحتاجون إلى العام: كيف يُبنى دماغ النوع ككل، وليس فقط دماغ سمكة معينة. الطريقة الجديدة — التركيب الاحتمالي العميق للنماذج (DPMS) — تتعلم من نسخ متعددة في وقت واحد، مثل طاهٍ يتذوق عشرات التفاح ليفهم طعم الصنف، لا طعم ثمرة واحدة.

يشبه العصبون في الدماغ شخصًا يوزع بطاقاته الشخصية في مؤتمر مزدحم. في البداية يتعرف بسهولة، لكن مع امتلاء دفتر العناوين، يتطلب كل اتصال جديد جهدًا أكبر — إذ يتبقى القليل من المساحة الفارغة. هذه القاعدة الخاصة بـ«الازدحام» جعلها المؤلفون أساس النموذج: كلما زادت الروابط الواردة لدى العصبون، زادت صعوبة تكوين رابط إضافي.

لكي نرى نجمًا خافتًا فوق مدينة ليلية مضيئة، يطرح علماء الفلك صورة من أخرى — يزيلون وهج المصابيح. ويُفعل الأمر نفسه مع الخلايا العصبية الحية: تومض ومضاتها الضعيفة داخل الضوضاء، لكن إذا طرحنا كل ما هو ثابت، تبقى هي فقط. قياس السطوع وطرح الإطارات تم صقلهما عبر قرون للبحث عن المستعرات العظمى في المجرات.

تتابع العيون نقطة ترسم بسلاسة منحنى معقدًا على الشاشة. لدى معظم الناس، يبقى النظر قريبًا منها، لكن عند البعض يبدو وكأنه ينزلق أو يتأخر. في السابق، كانت هذه الخصائص تغرق في الأرقام المتوسطة: إذا جمعت الجميع وقسمت، يكاد الفرق يختفي. قرر العلماء النظر ليس إلى المتوسط، بل إلى كل شخص على حدة. قاموا بقياس مدى تأخر النظر عن النقطة ومدى انحرافه جانبًا.

شريكان في التحقيق: يخونان أم يلتزمان الصمت؟ إذا كان كل منهما لا يعلم ما سيفعله الآخر، فإن اختيارهما يكسر قاعدة الاحتمالات الكلاسيكية. هذا يشبه ركوب دراجة قديمة فوق المطبات — المقعد الصلب يطيح بك. قاعدة الكتاب المدرسي، النموذج الكلاسيكي، تتعطل. وجد مؤلفو دراسة جديدة حلاً بسيطاً: يحتاج راكب الدراجة إلى مقعد ناعم.

ترى المجاهر الحديثة الدماغ بأدق التفاصيل: ليس فقط المشابك العصبية نفسها — أماكن التلامس بين الخلايا العصبية — بل أيضًا الجزيئات التي تتكون منها. تتزايد هذه الصور باستمرار، وتنخفض تكلفتها. لكن هناك عقبة: الصورة الجميلة لا تخبرنا بمدى سرعة نقل الخلية للإشارة أو بمدى قوة تأثير خلية عصبية على أخرى.

في الليل، داخل غرفة مظلمة، يتوهج جسم الإنسان بشكل خافت بالكاد يُلاحَظ. هذا الضوء ضعيف جدًا لدرجة أن الأجهزة شديدة الحساسية فقط هي التي تلتقطه. ظن بعض العلماء أن هذا التوهج الصادر من الرأس قد يخبرنا عن نشاط الدماغ — دون الحاجة إلى أجهزة التصوير المقطعي أو الأسلاك. لكن الفحص أظهر خلاف ذلك. عندما قيس الضوء المنبعث من الرأس في ظروف مظلمة حقًا، اتضح أنه أضعف بعدة مرات مما كان عليه في التجارب السابقة.

يعمل دماغ الإنسان المصاب بمرض باركنسون مثل أوركسترا يتجمد قائدها أحيانًا ويحرك عصاه في غير إيقاع. الأدوية لا تساعد الجميع، وعندها يقترح الأطباء التحفيز الكهربائي — نبضات كهربائية ضعيفة تعيد الإيقاع. لكن كل دماغ يختلف عن الآخر: أحدهم يناسبه أسلوب، وآخر يناسبه الأسلوب الثاني. الخطأ يعني إجراء عملية جراحية لشخص دون جدوى.

يشبه الكلام أوركسترا يجب أن تُعزف كل نغمة فيها في لحظتها المناسبة. يحوّل الدماغ الفكرة إلى سلسلة أصوات في أجزاء من الثانية، وظل حتى الآن غير واضح كيف يدير هذا التسلسل الهرمي — من الأصوات المنفردة إلى المقاطع ثم الكلمات الكاملة. لرؤية هذه العملية مباشرة، زرع الباحثون في منطقة الكلام في دماغ مريضين شبكات من 64 قطبًا دقيقًا — كل شبكة بحجم حبة أرز (3.2 × 3.2 ملم).

عداءان على نفس المضمار. أحدهما يبدأ من منتصف المسافة، والآخر من الصفر. من سيكون الأسرع؟ الإجابة واضحة، لكن في علم الأعصاب ظلت هذه الحيلة غير مكتشفة لفترة طويلة. كانت الشبكات العصبية التي تحاكي اتصالات دماغ ذبابة الفاكهة (الذبابة) تُعتبر أكثر مهارة في التعلم من الشبكات العشوائية. وقد أشيد بها لبدايتها السريعة وتوفيرها للوقت. لكن الآن تم وضع العدائين على نفس خط البداية.

الشبكة العصبية التي تتعلم شيئًا جديدًا تشبه مسافرًا في منطقة جبلية. كل معرفة مكتسبة هي انخفاض في التضاريس، ينزلق إليه المسافر ويعلق فيه. للخروج والوصول إلى حفرة جديدة، يحتاج إلى طاقة. ولكن كلما اكتسب المسافر خبرة، أصبحت جدران حفرته أكثر انحدارًا، وكل صعود تالٍ يتطلب جهدًا أكبر. وصف الفيزيائيون هذه العملية بمعادلات تُستخدم عادةً للحركة البراونية (Brownian motion) — اهتزاز حبوب اللقاح في الماء.

أن تُمسك برقم هاتف في ذهنك بينما تطلبه — هذه هي الذاكرة العاملة. في الدماغ، تتولى مجموعة من الخلايا إرسال الإشارات لبعضها البعض، مثلما يمرر الناس دلوًا على طول سلسلة. لكن لكل تمريرة ثمن: هناك حاجة إلى مواد ناقلة، وهي تُستنفد. إذا لم تُجدَّد، تتوقف السلسلة وتضيع الفكرة. في العمل الجديد، أُضيفت إلى هذه السلسلة خلايا مساعدة — الخلايا النجمية.

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.

تستلقي اليد على الطاولة، وتصل إلى المعصم اهتزازتان قصيرتان — واحدة تلو الأخرى. المطلوب تحديد أيهما أقوى. تبدو المهمة بسيطة، لكن الإجابة تعتمد على أي الاهتزازين كان أولًا. إذا كانت الأولى ضعيفة والثانية قوية، يبدو الفرق أكبر مما لو عُكس الترتيب. هذا ليس نزوة انتباه، بل عمل آلية مستمرة: الدماغ لا ينتظر معلومات كاملة، بل يبني تخمينًا ويصححه أثناء الحركة.

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.