SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
تقدم الورقة البحثية SPOUT، وهي منصة برمجية وعتادية مفتوحة المصدر ومنخفضة التكلفة تدمج التسجيل العصبي الدقيق والتحكم البصري الوراثي مع مهام اتخاذ القرار المرنة لدراسة الآليات العصبية للسلوك في الفئران المثبتة الرأس.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
لفهم كيف يقرر الفأر الالتفاف يسارًا أو يمينًا، يجب على العلماء القيام بما هو أكثر من مجرد مراقبة الحيوان. فهم بحاجة إلى رؤية النشاط الكهربائي للدماغ في اللحظة الدقيقة التي يتم فيها اتخاذ القرار، ويحتاجون أيضًا إلى القدرة على تحفيز ذلك النشاط بلطف لمعرفة ما سيحدث. يتطلب هذا توازنًا دقيقًا: يجب أن يكون الحيوان ساكنًا بما يكفي لتتمكن المجاهر عالية القدرة من رؤية خلايا دماغية فردية، وفي الوقت نفسه حرًا بما يكفي لتحريك رأسه ولسانه لأداء مهمة ما. لعقود من الزمن، كافح الباحثون لبناء نظام يمكنه تسجيل الدماغ، والتحكم في السلوك، وإرسال إشارات ضوئية دقيقة إلى الدماغ، كل ذلك مع الحفاظ على دقة التوقيت المثالية. فإذا انحرف "الساعة" التي تقيس السلوك ولو قليلًا عن "الساعة" التي تسجل الدماغ، يصبح من المستحيل فك شفرة الرابط بين الفعل والفكر.
قام فريق في مدرسة هارفارد الطبية الآن ببناء أداة جديدة لحل هذه المشكلة، حيث ابتكروا نظامًا كاملاً مفتوح المصدر يسمى SPOUT. يرمز الاسم إلى "منصة الحالة لمهام الأنبوب المزدوج/المنفرد التشغيلية" (State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks)، ولكن في الواقع، هو آلة متعددة الاستخدامات تسمح للفئران بحل ألغاز اتخاذ القرار بينما يراقب العلماء أدمغتها في الوقت الفلي. تم تصميم النظام ليكون ميسور التكلفة وسهل الاستخدام، حيث يستبدل الإعدادات المخصصة والمكلفة بمجموعة من القطع القياسية التي يمكن لأي مختبر تجميعها. وفي جوهره، توجد شريحة كمبيوتر صغيرة تعمل كـ "مايسترو"، تنسق تقديم مكافآات الماء، وتسجيل حركات اللسان، وإطلاق حزم الضوء في الدماغ، وكل ذلك بدقة تُقاس بأجزاء من المليون من الثانية.
اختبر الباحثون هذا النظام عبر تعليم الفئران لعبة بسيطة. يجلس الفأر ورأسه ثابت، مواجهًا لأنبوبين صغيرين. يُسمع صوت، ويجب على الفأر أن يختار لعق الأنبوب الأيسر أو الأيمن للحصول على قطرة ماء. الخدعة هي أن الصوت لا يخبر الفأر أي الأنبوبين هو الصحيح؛ بدلاً من ذلك، يتغير الأنبوب الصحيح كل بضع محاولات دون سابق إنذار. يتعين على الفأر اكتشاف النمط من خلال تذكر أي خيار أدى إلى مكافأة وأيها لم يؤدِ إلى شيء. باستخدام SPOUT، راقب الفريق الفئران وهي تتعلم هذه اللعبة على مدار أيام عديدة. في البداية، كانت الفئران تخمن عشوائيًا، ولكن مع اكتساب الخبرة، تعلمت تغيير اختيارها فورًا بعد ارتكاب خطأ والتمسك بالجانب الرابح. سجل النظام كل عملية لعق بدقة متناهية لدرجة أن الباحثين استطاعوا رؤية اللحظة الدقيقة التي تغير فيها سلوك الفأر من الارتباك إلى الثقة.
لإثبات أن النظام يمكنه أيضًا التحكم في الدماغ، استخدم العلماء تقنية تسمى "علم البصريات الوراثي" (optogenetics)، والتي تسمح لهم بتشغيل أو إيقاف خلايا دماغية محددة باستخدام الضوء. ركزوا على منطقة في الدماغ تسمى القشرة الحركية الأمامية الجانبية (anterior lateral motor cortex)، وهي منطقة معروفة بصلتها بالتخطيط للحركات. عندما أطلقوا ومضة ضوء زرقاء في هذا الجزء من الدماغ في اللحظة التي كان الفأر على وشك اتخاذ قرار فيها، تغير سلوك الفأر فورًا. إذا أصاب الضوء الجانب من الدماغ الذي يتحكم في الجانب الأيمن من الجسم، فإن الفأر يتوقف فجأة عن لعق الأنبوب الأيمن ويبدأ في لعق الأنبوب الأيسر بدلاً من ذلك. حدث هذا فقط عندما كان الضوء يعمل، واختفى التأثير بمجرد إطفاء الضوء، مما أظهر أن النظام يمكنه بدقة مقاطعة عملية التخطيط في الدماغ ومراقبة تفكك قرار الحيوان في الوقت الفعلي.
كما دمج الباحثون هذا الإعداد مع مجهر قوي لالتقاط صور للخلايا الدماغية أثناء لعب الفئران للعبة. ولأن النظام يحافظ على توقيت مثالي، فقد تمكنوا من مطابقة اللحظة الدقيقة التي لعق فيها الفأر الأنبوب مع نشاط آلاف الخلايا العصبية في الدماغ. وجدوا أنه عندما اختار الفأر اللعق على الجانب المعاكس لمنطقة التحفيز الدماغي، كانت الخلايا العصبية تنبض بقوة أكبر بكما لو اختار الفأر نفس الجانب. أكد هذا أن هذه الخلايا الدماغية المحددة تكون أكثر نشاطًا عندما يستعد الحيوان للتحرك في اتجاه معين. إن قدرة النظام على مزامنة السلوك، والتحفيز الضوئي، وتصوير الدماغ بهذا القدر من الدقة سمحت للفريق برؤية هذه الأنماط بوضوح، وهو أمر كان مستحيلاً باستخدام المعدات القديمة الأقل تزامنًا.
إن ما يجعل هذا العمل مهمًا بشكل خاص ليس فقط الاكتشاف المتعلق بأدمغة الفئران، بل الأداة نفسها. فقد أتاح الباحثون جميع المخططات والشيفرات والتعليمات لبناء SPOUT للجمهور مجانًا. لقد أثبتوا أن تجربة علم الأعصاب المعقدة وعالية الدقة لا تتطلب تكالونات من الدولارات أو فريقًا من المهندسين لبنائها. فباستخدام متحكم دقيق قياسي وقطع جاهزة للاستخدام، أنشأوا منصة قوية بما يكفي للعمل لآلاف الجلسات دون تعطل. تم تصميم النظام ليكون مرنًا، مما يسم يسمح للعلماء بتغيير قواعد اللعبة أو نوع تسجيل الدماغ دون إعادة كتابة البرمجيات الأساسية. هذا الانفتاح يعني أن المختبرات حول العالم يمكنها الآن إجراء نفس التجارب بنفس المستوى من الدقة، مما يسهل مقارنة النتائج وبناء فهم مشترك لكيفية اتخاذ الدماغ للقرارات.
تخلص الدراسة إلى أن SPOUT هو وسيلة موثوقة وسهلة الوصول لدراسة الرابط بين نشاط الدماغ والسلوك. لقد نجح في إثبات أن الفئران يمكنها تعلم قواعد معقدة بناءً على المكافآت السابقة، وأن مناطق دماغية محددة يمكن إسكاتها مؤقتًا لتغيير تلك القرارات، وأن النشاط العصبي الناتج يمكن تسجيله بدقة عالية. لم يدّع الباحثون أنهم حلوا لغز اتخاذ القرار، لكنهم قدموا طريقة واضحة وقابلة للتكرار لطرح السؤال. ومن خلال إزالة العوائق التقنية التي منعت العديد من المختبرات من القيام بهذا النوع من العمل، فتح الفريق الباب أمام مجتمع أوسع من العلماء لاستكشاف كيفية توجيه الدماغ للفعل، بلمسة لسان دقيقة واحدة في كل مرة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.