Whole-body 3D kinematics of freely behaving Drosophila

لفهم كيفية تحويل الجهاز العصبي لإشارة كهربائية بسيطة إلى حركة معقدة ومنسقة، يجب على العلماء أولاً أن يكونوا قادرين على رؤية تلك الحركة بوضوح تام. لعقود من الزمن، اعتمد الباحثون على ذبابة الفاكهة، وهي حشرة صغيرة ذات دماغ مرسوم بدقة، للكشف عن قواعد التحكم الحركي. كان التحدي يكمن دائماً في أن هذه الذبابات صغيرة، وتتحرك بسرعة خاطفة، وغالباً ما تحجب أجسادها عن الرؤية أثناء دورانها أو تفاعلها مع الآخرين. وقد كافحت الأساليب التقليدية لتتبعها لالتقاط حركتها الكاملة في ثلاثة أبعاد، مما ترك فجوة بين ما يرسله الدماغ وكيف يستجيب الجسم فعلياً. وبدون صورة كاملة لوضعية جسم الذبابة في الفضاء، يظل من الصعب بناء نماذج دقيقة لكيفية أمر الدماغ للعضلات لإنتاج السلوك.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في سد هذه الفجوة عبر ابتكار نظام يراقب حركة الذباب في ثلاثة أبعاد كاملة دون لمسها أو لصق علامات على أجسادها. فقد قاموا بإعداد سبع كاميرات عالية السرعة تعمل معاً لتسجيل الحشرات بمعدل 800 إطار في الثانية، مما يلتقط كل تشنج وانعطاف سريع. ولتفسير هذا التدفق الهائل من البيانات المرئية، قاموا بتدريب برنامج حاسوبي للتعرف على خمسين نقطة محددة في جسم الذبابة وتتبعها، بدءاً من أطراف أرجلها وصولاً إلى نهايات قرون استشعارها. ولأن تخمينات الحاسوب الأولية قد تبدو أحياناً مستحيلة فيزيائياً — مثل انثناء ساق بطريقة خاطئة — أضاف الباحثون خطوة ثانية؛ حيث استخدموا نموذجاً لتشريح الذبابة الفعلي لتصحيح هذه الأخطاء، مما يضمن أن كل حركة يسجلها النظام هي حركة يمكن لذابة حقيقية القيام بها فيزيائياً. هذه العملية، المعروفة باسم "إعادة الاستهداف" (retargeting)، تحول الفيديو الخام إلى خريطة دقيقة وصحيحة تشريحياً لحركة الذبابة.

وعندما حلل العلماء حركات الذباب أثناء الجري على الأرض، وجدوا شيئاً يناقض افتراضاً ساد لفترة طويلة حول كيفية تحرك الحشرات. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الحيوانات تنتقل بين أساليب جري متميزة، أو "مشيات" (gaits)، مع تسارعها أو تباطؤها. إلا أن البيانات من هذه الدراسة تظهر أن الذباب لا يفعل ذلك؛ بل يحافظ على أسلوب جري واحد وثابت عبر كامل نطاق سرعاته، دون الانتقال أبداً إلى مشية مختلفة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن آليات التحكم في حركتها أكثر استمرارية وانسيابية مما كان يُعتقد سابقاً.

كما أثبت النظام قدرة فائقة على تتبع عدة ذبابات في وقت واحد، مما سمح للباحثين بمراقبة التفاعلات الاجتماعية بتفاصيل غير مسبوقة. فعند مراقبة ذكر ذبابة وهو يتودد لأنثى، كشفت الدراسة أن الذكر ينسق حركة كلتا جناحيه لإنتاج أغنية التودد الخاصة به. وفي الوقت نفسه، يقوم باستمرار بتعديل زاوية جسمه، مائلاً برأسه وجذعه للأعلى أو للأسفل ليبقي عينيه مثبتتين على الموقع الرأسي للأنثى أثناء حركتها. توفر هذه الملاحظات سجلاً غنياً ثلاثي الأبعاد للسلوك كان من المستحيل التقاطه سابقاً. ومن خلال إتاحة هذه المجموعة الضخمة من البيانات والبرمجيات المستخدمة لإنشائها للجمهور، قدم الباحثون أساساً جديداً للعلماء لبناء نماذج مفصلة لكيفية عمل الدماغ والجسم معاً لتوليد الحركة.