CA3 sparsity stabilises high-connectivity recurrent autoassociation: complementary binary and spiking computational modes in a DG->CA3 model

تعتمد قدرة الدماغ على التذكر على توازن دقيق بين مهمتين متضادتين. فلكي يخزن الدماغ ذاكرة جديدة، يجب عليه أولاً فصلها عن التجارب الماضية المماثلة، لضمان عدم خلط حدث جديد بآخر قديم. هذه العملية، المعروفة باسم "فصل الأنماط"، تعمل مثل نظام أرشفة يحفظ المستندات المتشابهة في مجلدات مختلفة. وبمجرد تخزين الذاكرة، يجب أن يكون الدماغ قادراً على استرجاعها حتى عند تلقي تلميح غامض أو غير مكتمل. عملية الاسترجاع هذه، وتسمى "إكمال الأنماط"، تسمح لرائحة واحدة أو جزء من صوت بأن يعيد مشهداً كاملاً إلى الذهن. تحدث هاتان العمليتان في منطقتين متجاورتين في الحصين (hippocampus)، وهو هيكل يشبه شكل فرس البحر يقع في عمق الدماغ. المنطقة الأولى، التلفيف المسنن (dentate gyrus)، تقوم بعملية الفصل، بينما تقوم المنطقة الثانية، منطقة CA3، بعملية الإكمال.

لعقود من الزمن، ناقل العلماء حول كيفية إدارة منطقة CA3 لاسترجاع الذكريات بمثل هذه الموثوقية. يكمن مفتاح هذا الجدل في مدى كثافة اتصال الخلايا العصبية ببعضها البعض في هذه المنطقة. تشير بعض القياسات إلى أن هذه الاتصالات نادرة، بينما تشير أخرى، باستخدام تصوير أكثر تقدماً، إلى أنها أكثر شيوعاً بعشر مرات. وقد ترك هذا الخلاف الباحثين يتساءلون: هل يساعد امتلاك المزيد من الاتصالات الدماغ على استدعاء الذكريات، أم أنه يسبب الفوضى؟ استخدمت دراسة جديدة أجراها تادانوبو تشويو كاميجو وزملاؤه عمليات محاكاة حاسوبية لحل هذا النزاع. ووجدوا أن الإجابة تعتمد كلياً على كيفية سلوك الخلايا العصبية. فإذا ظلت الخلايا العصبية هادئة جداً ونادرة النشاط، فإن الشبكة عالية الاتصال تعمل بشكل رائع. ولكن إذا أصبحت الخلايا العصبية نشطة للغاية، فإن تلك الكثافة العالية من الاتصالات نفسها تؤدي إلى انهيار النظام، مما يجعل من المستحيل التمييز بين ذكرى وأخرى.

بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً مفصلاً للمسار من التلفيف المسنن إلى منطقة CA3 لاختبار كيفية تعامل هذه الأنظمة مع الذاكرة تحت ظروف مختلفة. أنشأوا نسختين من منطقة CA3 لتمثيل طرق مختلفة استخدمها العلماء في النمذجة. استخدمت إحدى النسختين نهجاً ثنائياً مبسطاً حيث تكون الخلايا العصبية إما "تعمل" أو "تتوقف" تماماً، مما يمثل نظاماً ذا حدود صارمة على النشاط. أما النسخة الأخرى فقد استخدمت نموذجاً أكثر واقعية يعتمد على "النبضات" (spiking model)، حيث تطلق الخلايا العصبية إشارات كهربائية وتنظم نشاطها الخاص من خلال توازن بين الاستثارة والتثبيط، تماماً مثل الشبكة البيولوجية الحقيقية. ثم قاموا بتغذية كلتا النسختين بتدفق من المدخلات واختبروا قدرتهما على إكمال الذكريات الجزئية مع تغيير عدد الاتصالات بين الخلايا العصبية.

كشفت النتة عن اختلاف صارخ بين النموذجين. في النسخة الثنائية المبسطة، كان زيادة عدد الاتصالات يساعد دائماً؛ فكلما زادت الروابط بين الخلايا العصبية، أصبح النظام أفضل في استرجاع الذكريات الكاملة من التلميحات الجزئية. وهذا يشير إلى أنه إذا عمل الدماغ بحدود صارمة على النشاط، فإن امتلاك شبكة كثيفة من الاتصالات يعد ميزة واضحة. ومع ذلك، قدم نموذج النبضات الأكثر واقعية قصة مختلفة. في هذا النموذج، كانت زيادة الاتصالات تساعد فقط حتى نقطة معينة؛ فبمجرد أن ينمو عدد الاتصالات بشكل كبير بالنسبة لعدد الخلايا العصبية النشطة، يفشل النظام. لم تصبح الذكريات ضبابية قليلاً فحسب، بل انهارت تماماً. أصبحت الشبكة غير قادرة على التمييز بين الأنماط المخزنة المختلفة، مما أدى فعلياً إلى فقدان الذاكرة.

حددت الدراسة قاعدة محددة تحكم هذا الفشل. يظل النظام مستقراً فقط عندما يظل حاصل ضرب عدد الخلايا العصبية النشطة وعدد الاتصالات لكل خلية عصبية تحت عتبة معينة. بعبارات بسيطة، إذا أطلقت الخلايا العصبية نبضاتها بشكل متكرر جداً، فإن العدد الكبير من الاتصالات سيجعلها جميعاً تضيء معاً، مما يؤدي إلى طمس الأنماط المتميزة للذاكرة. وجد الباحثون أن هذا الانهيار يحدث حتى لو حاولت الشبكة التعويض من خلال تقوية "فراملها" الداخلية، أي التثبيط. ليس الفشل انفجاراً جامحاً للنشاط، بل هو فقدان للخصوصية حيث لا يعود بإمكان الدماغ التمييز بين ذكرى وأخرى. وهذا يفسر لماذا يبقي الدماغ نشاط خلايا CA3 منخفضاً جداً، حيث يكون حوالي 2% إلى 5% فقط من الخلايا نشطة في أي وقت. هذا الندرة الشديدة هي الحالة التي تسمح لشبكة عالية الاتصال بالعمل دون أن تنهار.

استكشف الفريق أيضاً كيف يتناسب "تكون الخلايا العصبية لدى البالغين" (adult neurogenesis)، وهو ولادة خلايا عصبية جديدة في دماغ البالغين، مع هذه الصورة. من المعروف أن الخلايا العصبية الجديدة تكون أكثر استثارة من الخلايا الناضجة، مما قد يخل بالتوازن الدقيق للشبكة. أظهرت عمليات المحاكاة أنه إذا أصبحت هذه الخلايا الجديدة أكثر نشاطاً ببساطة دون تغيير اتصالاتها، فإنها ستدفع النظام نحو الحافة، مما يتسبب في انهيار شبكة الذاكرة. ومع ذلك، إذا قامت هذه الخلايا الجديدة أيضاً باستقطاب خلايا تثبيطية للمساعدة في تهدئة الشبكة، فإنها ساعدت في الواقع في استقرار النظام. وهذا يشير إلى أن طريقة دمج الدماغ للخلايا الجديدة أمر بالغ الأهمية: فإذا ساعدت الخلايا الجديدة في الحفاظ على انخفاض النشاط العام، فإنها تحمي الذاكرة؛ أما إذا كانت مجرد ضجيج مضاف، فإنها تدمرها.

تعيد هذه الدراسة صياغة الجدل القائم منذ فترة طويلة حول عدد الاتصالات الموجودة في منطقة CA3. إن الخلاف بين التقديرات المنخفضة والعالية قد لا يكون تناقضاً في القياس، بل انعكاساً لأنماط تشغيل مختلفة. فإذا اعتمد الدماغ على كود (شفرة) نادر ومتحكم فيه، فيمكنه دعم كثافة عالية جداً من الاتصالات، وهو ما يتوافق مع التقديرات الأعلى. أما إذا كان الكود أقل ندرة، فسيحتاج الدماغ إلى عدد أقل بكثير من الاتصالات لتجنب الفوضى. تشير الدراسة إلى أن قدرة الدماغ على استرجاع الذكريات لا تتعلق فقط بامتلاك العدد الصحيح من الأسلاك، بل بالحفاظ على حركة المرور عبر تلك الأسلاك خفيفة بما يكفي لمنع حدوث ازدحام مروري. ومن خلال الحفاظ على نشاط نادر، يمكن للدماغ الحفاظ على شبكة غنية وعالية الاتصال قادرة على استرجاع الذاكرة بشكل مستقر ودقيق.