Propagation electrodynamics differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons

داخل الدماغ، تعتمد العملية الأكثر جوهرية للتفكير والشعور والحركة على حدث بسيط ولكنه عميق: شرارة كهربائية تسافر عبر سلك. هذه الأسلاك ليست من النحاس أو السيليكون، بل هي الامتدادات الطويلة والنحيفة للخلايا العصبية التي تسمى المحاور (axons). لعقود من الزمن، فهم العلماء كيفية انتقال هذه الإشارات باستخدام مجموعة من القواعد المعروفة بنظرية الكابل (cable theory). تعامل هذه النظرية المحور كأنه خرطوم طويل ومسرب، حيث تتدفق الكهرباء في المنتصف وتتسرب من الجوانب. وهي تعمل بشكل جيد بما يكفي لتفسير كيفية انتقال الإشارة عبر أنبوب مستقيم ومنتظم. ومع ذلك، فإن الدماغ الحقيقي ليس مجموعة من الأنابيب المستقيمة، بل هو غابة متشابكة من الفروع، حيث ينقسم ليف عصبي واحد إلى اثنين، ثم أربعة، ثم العديد غير ذلك، مما يخلق لغزاً هندسياً معقداً. عندما تصل إشارة إلى مفترق طرق، يجب عليها أن تقرر كيف تقسم طاقتها. افترضت القواعد القديمة أنه إذا كانت الفروع بنفس الحجم، فستنقسم الإشارة بالتساوي، وإذا كانت مختلفة، فإن الانقسام سيتبع نمطاً يمكن التنبؤ به بناءً على عرضها فقط.

ولكن ماذا لو كانت القواعد القديمة تفتقد قطعة من أحجية اللغز؟ ماذا لو كان حركة الكهرباء عبر هذه الأسلاك الدقيقة تخلق مجالاً مغناطيسياً غير مرئي خاصاً بها، وهذا المجال بدوره يدفع الكهرباء للخلف؟ هذا هو السؤال الذي سعى فريق من الباحثين للإجابة عليه. لقد بنوا نموذجاً جديداً وأكثر اكتمالاً لكيفية انتقال الإشارات العصبية، نموذجاً لا ينظر فقط إلى التيار الكهربائي، بل يأخذ في الاعسبار أيضاً القوى المغناطيسية التي تنشأ كلما تحرك ذلك التيار. ومن خلال محاكاة هذه التفاعلات على جهاز الكمبيوتر، اكتشفوا أن التأثيرات المغناطيسية ليست مجرد تفصيل صغير يمكن تجاهله؛ بل هي قوية بما يكفي لتغيير سرعة حركة الإشارة، وكيفية سلوكها عند نقطة التفرع، وحتى ما إذا كانت ستنجح في عبور الوصلة أم لا.

بدأ الباحثون بأخذ النموذج القياسي للخلية العصبية وإضافة قوانين الكهرومغناطيسية الكاملة إليه. في الرؤية التقليدية، تكون الإشارة العصبية مجرد موجة من الجهد تتحرك على طول أسطوانة. أما في هذه الرؤية الجديدة، فإن تلك الموجة الكهربائية المتحركة تولد مجالاً مغناطيسياً، وهذا المجال المغناطيسي يخلق قوة تؤثر على الأيونات المتحركة داخل الخلية. إنه حوار متبادل بين الكهرباء والمغناطيسية. ولاختبار ذلك، أنشأ الفريق بيئة افتراضية حيث يمكنهم مراقبة هذه الإشارات وهي تسافر عبر هياكل متفرعة، تماماً مثل جذع شجرة ينقسم إلى أغصان. أجروا آلاف عمليات المحاكاة، مع تغيير سمك الفرع الأم وسمك الفروع التابعة، ومراقبة ما يحدث عندما تصطدم الإشارة بالمفترق.

كانت النتائج مفاجئة. في النموذج القديم، إذا جعلت أحد الفروع التابعة عريضاً جداً، فستتدفق الإشارة فيه بسهولة، وربما تتباطأ قليلاً في الفرع الآخر الأضيق. أما في النموذج الجديد، فقد غيرت القوى المغناطيسية النتيجة تماماً. وجد الباحثون أن التأثيرات المغناطيسية جعلت من الصعب كثيراً على الإشارة عبور الوصلة. في الواقع، ستفشل الإشارة في المرور إلى فرع تابع عند حجم أصغر بكثير مما توقعت النظرية القديمة. كان الأمر كما لو أن المجال المغناطيسي خلق جداراً غير مرئي، يحجب الإشارة قبل أن تصل إلى النقطة التي قالت النظرية القديمة إنها ستتوقف عندها. وهذا يعني أنه في الدماغ الحقيقي، فإن العتبة التي تتعثر عندها الإشارة عند نقطة التفرع هي أقل مما كنا نعتقد؛ فالإشارة أكثر هشاشة عند هذه المفارق مما كان يُعتقد سابقاً.

كما بحثت الدراسة فيما يحدث عندما يكون فرعان بنفس الحجم تماماً. وفقاً للقواعد القديمة، إذا وصلت إشارة إلى انقسام حيث المساران متطابقان، فيجب أن تنقسم بالتساوي تماماً، وتنتقل في كلا الفرعين بنفس السرعة. أظهرت عمليات المحاكاة الجديدة أن هذا التماثل المثالي يمكن كسره بواسطة مجال مغناطيسي خارجي. إذا طبقت مجالاً مغناطيسياً من الجانب، فإن الإشارة تتسارع في أحد الفروع وتتباطأ في الآخر، على الرغم من أن الفروع متطابقة فيزيائياً. القوة المغناطيسية تدفع الشحنات الكهربائية بشكل مختلف اعتماداً على اتجاه حركتها بالنسبة للمجال. يشير هذا إلى أن أسلاك الدماغ قد تكون حساسة للبيئة المغناطيسية بطرق لم نكن نضعها في الحسبان، مما يسمح للمجالات المغناطيسية الخارجية بتغيير كيفية توجيه المعلومات عبر عصبون واحد بشكل طفيف.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للاهتمام تعلق بسرعة الإشارة نفسها. لفترة طويلة، اعتقد العلماء أن سرعة الإشارة العصبية تزديد مع الجذر التربيعي لسمك المحور. السلك الأكثر سمكاً يعني مقاومة أقل، لذا تنتقل الإشارة بشكل أسرع. وقد صحت هذه القاعدة للأسلاك الرفيعة والمتوسطة في عمليات المحاكاة الجديدة. ومع ذلك، عندما جعل الباحثون الفرع الأم سميكاً جداً، لم تزد سرعة الإشارة باستمرار، بل اصطدمت بحائط. أصبح التغذية الراجعة المغناطيسية قوية جداً عند أقطار الكابلات الكبيرة، لدرجة أنها أبطأت الإشارة بالفعل وفي بعض الحالات أوقفتها تماماً قبل أن تتمكن حتى من مغادرة نقطة البداية. تنبأت النظرية القديمة بأن السلك السميك جداً سيكون دائماً طريقاً سريعاً للإشارات، لكن النموذج الجديد يظهر أن هناك حداً. إذا كان السلك سميكاً جداً، فإن القوى المغناطيسية المتولدة عن التدفق الهائل للتيار تخلق حلقة تغذية راجعة تمنع الإشارة.

تأتي هذه النتائج من محاكاة حاسوبية متطورة جمعت بين معادلات الدوائر الكهربائية ومعادلات المجالات المغناطيسية. لم يكتفِ الباحثون بالتخمين؛ بل بنوا نظاماً يحل هذه المعادلات خطوة بخطوة، متتبعاً كيف تتغير الجهد والتيار والمجال المغناطيسي معاً بمرور الوقت. لقد تحققوا من عملهم من خلال التأكد من أن إجمالي كمية التيار الداخلة إلى الوصلة تتطابق دائماً مع إجمالي الكمية الخارجة منها، وهو قانون أساسي في الفيزياء. وعندما أضافوا المصطلحات المغناطيسية، وجدوا أن التوازن يتطلب طريقة جديدة لحساب كيفية انقسام الإشارة. لقد اقترحوا صيغة جديدة تتضمن هذه التأثيرات المغناطيسية، وهي تغير الطريقة التي يجب أن نفكر بها في هندسة فروع الأعصاب.

إن تداعيات هذا العمل كبيرة لفهمنا للدماغ. إذا كانت التأثيرات المغناطيسية حقيقية وقابلة للقياس، فإن الطريقة التي تنتقل بها الإشارات عبر الأشجار المتفرعة والمعقدة لعصبوناتنا هي أكثر تعقيداً مما تشير إليه النماذج الكهربائية البسيطة. قد يكون الدماغ أكثر حساسية للمجالات المغناطيسية مما كنا نظن، وقد تحتاج القواعد الخاصة بكيفية فشل أو نجاح الإشارات عند نقاط التفرع إلى إعادة كتابة. يقترح الباحثون أن الدراسات المستقبلية يجب أن تبحث عن هذه التأثيرات في الأنسجة البيولوجية الحقيقية، ربما باستخدام قياسات عالية الدقة لمعرفة ما إذا كانت الإشارات تتصرف كما تتنبأ بها عمليات المحاكاة. وحتى الآن، يظل هذا العمل تذكيراً بأنه حتى في العالم الضيق والمزدحم للخلية العصبية، فإن قوى الكهرباء والمغناطيسية مرتبطة ببعضها البعض ارتباطاً وثيقاً، وتُشكل تدفق الأفكر والأحاسيس بطرق لم تستطع النماذج الأبسط والأقدم رؤيتها.