BRAINCELL modelling platform for stochastic nanoscale organisation and dynamic extracellular signalling among neurons and glia

الدماغ عبارة عن مدينة شاسعة ورطبة من الخلايا، حيث لا تنتقل المعلومات عبر الأسلاك فحسب، بل عبر حساء معقد ومتغير يحيط بها. لعقود من الزمن، بنى العلماء نماذج حاسوبية لفهم كيفية تواصل هذه الخلايا، التي تسمى العصبونات، مع بعضها البعض. كانت هذه النماذج مفيدة للغاية، حيث سمحت للباحثين بمحاكاة كيفية انتقال الإشارات الكهربائية عبر الفروع المعقدة لخلية عصبية واحدة. ومع ذلك، غالبًا ما عاملت النماذج التقليدية الدماغ كمكان ثابت؛ فقد افترضت أن المساحة بين الخلايا فارغة وثابتة، وبسطت الهياكل الصغيرة والمعقدة التي تغطي سطح العصبونات، بل وتجاهلتها تمامًا في كثير من الأحيان لتوفير قدرة المعالجة الحاسوبية. هذا التبسيط يعني أنه بينما كانت النماذج قادرة على إظهار كيفية انتقال الإشارة، إلا أنها قد تغفل كيف يغير الوسط المحيط الإشارة، أو كيف تغير التفاصيل المجهرية الدقيقة لشكل الخلية سلوكها.

يهدف نظام محاكاة جديد يسمى BRAINCELL إلى معالجة هذه الفجوات من خلال إنشاء عالم رقمي أكثر واقعية. فبدلاً من معاملة المساحة بين الخلايا كفراغ، يقوم هذا النظام بنمذجتها كسائل ديناميكي تتحرك فيه الأيونات والرسل الكيميائية وتتراكم وتتلاشى في الوقت الفعلي. كما أنه يملأ أسطح العصبونات بآلاف النتوءات والأغصان الواقعية الصغيرة التي توجد في الدماغ الحقيقي ولكن كان من الصعب سابقًا محاكاتها. ومن خلال الجمع بين هاتين الميزتين — بيئة ديناميكية وهيكل خلوي مفصل ومليء بالنتوءات — يمكن للباحثين الآن مراقبة كيفية سلوك خلايا الدماغ في ظروف تحاكي الحياة عن قرب، مما يكشف أن النماذج القديمة المبسطة كانت غالبًا ما تروي قصة مختلفة عن النماذج الجديدة المفصلة.

بدأ الباحثون بمعالجة مشكلة الأشواك التغصنية (dendritic spines). وهي نتوءات صغيرة تشبه شكل الفطر تغطي فروع العصبونات، وتعمل كمحطات استقبال رئيسية للإشارات من الخلايا الأخرى. في الدماغ الحقيقي، يمكن للعصبون الواحد أن يمتلك آلافًا من هذه الأشواك، لكنها صغيرة وكثيرة العدد لدرجة أن معظم النماذج الحاسوبية تتجاهلها ببساطة. باستخدام BRAINCELL، أنشأ الفريق مجموعة من هذه الأشواك بناءً على قياسات حقيقية مأخوذة من أنسجة حية، حيث قاموا بتزويد نموذج لعصبون من الحصين بمئات منها. ثم اختبروا كيفية استجابة هذا العصبون للإشارات الكهربائية مقارنة بنسخة من الخلية نفسها بدون أشواك. كانت النتائج مذهلة؛ فوجود الأشواك لم يضف مجرد تفاصيل بسيطة، بل غير بشكل جذري كيفية معالجة الخلية للمعلومات. استطاع العصبون المزود بالأشواك التعامل مع نطاق أوسع بكثير من سرعات الإشارات، مما ضاعف فعليًا من تردد المدخلات التي يمكنه إدارتها دون أن يغرق في الضغط. يشير هذا إلى أن السطح المتعرج الصغير للعصبون الحقيقي ليس مجرد زينة، بل هو ميزة حاسمة تحدد كيفية معالجة الدماغ لفيض المعلومات الذي يتلقاه كل ثانية.

اكتشف الفريق أيضًا أن موقع هذه الإشارات يهم بقدر ما تهم قوتها. في النماذج السابقة، افترض العلماء غالبًا أن احتمالية إرسال إشارة من خلية إلى أخرى هي نفسها في كل مكان على طول فرع العصبون. سمح BRAINCELL للباحثين باختبار ما يحدث عندما تتباين هذه الاحتمالية، حيث أنشأوا تدرجًا تكون فيه الإشارات أكثر عرضة للانطلاق عند الأطاء البعيدة للفروع بدلاً من القرب من المركز. وعندما قاموا بمحاكاة هذا التوزيع غير المتساوي، تغيرت قدرة العصبون على دمج الإشارات بشكل كبير. أظهر النموذج أن النمط المحدد لمكان إطلاق الإشارات يعمل مثل "مقبض ضبط" للدائرة، مما يسمح للدماغ بتعديل كيفية معالجة المعلومات دون تغيير العدد الإجمالي للاتصالات. تشير هذه النتيجة إلى أن الدماغ قد يستخدم هذه الأنماط المكانية الدقيقة لضبط عملياته بدقة بطرق كانت غير مرئية للنماذج الأبسط.

بعيدًا عن شكل الخلايا، يسلط المنصة الجديد الضوء على السائل الذي يحيط بها. في الدماغ الحقيقي، عندما تطلق العصبونات نبضاتها، فإنها تطلق البوتاسيوم، وهو جسيم مشحون يتراكم في الفجوات الصغيرة بين الخلايا. غالبًا ما تجاهلت النماذج التقليدية هذا التراكم أو عاملته كمستوى خلفي ثابت. ومع ذلك، يتتبع BRAINCELL حركة هذه الأيونات أثناء انتشارها وإزالتها. أظهرت عمليات المحاكاة أنه حتى الارتفاع الطفيف والمؤقت في تركيز البوتاسيوم يمكن أن يجعل العصبون أكثر استثارة، مما يجعله يطلق نبضاته بسهء أكبر. هذا الوسط الديناميكي يعني أن حساسية العصبون ليست ثابتة، بل تتغير لحظة بلحظة بناءً على التاريخ الكيميائي لمحيطه المباشر. وجد الباحثون أن هذا التأثير كان قويًا بشكل خاص عند مستويات النشاط المنخفضة، مما يشير إلى أن استجابة الدماغ مرتبطة بعمق بحركة تدفق الأيونات في المساحة بين الخلايا.

غيرت هذه الرؤية الديناميكية للبيئة أيضًا فهم الفريق للتواصل بين أنواع الخلايا المختلفة. قاموا بنمذجة سيناريو يطلق فيه عصبون مثبط، والذي يعمل كـ "مكبح" لنشاط الدماغ، مادة كيميائية تسمى GABA. في الدماغ الحقيقي، يمكن لهذه المادة أن تنتقل بعيدًا عن نقطة إطلاقها، مما يخلق موجة بطيئة الحركة تثبط العديد من الخلايا المجاورة في وقت واحد، وهي عملية تُعرف باسم "النقل الحجمي" (volume transmission). ومن خلال محاكاة انتشار GABA عبر المساحة خارج الخلوية، أظهر الباحثون أن عصبونًا نشطًا واحدًا يمكن أن يولد موجة من التثبيط تقلل من معدل إطلاق عصبون رئيسي قريب بنسبة تقارب النصف. كان هذا تأثيرًا أقوى بكثير مما قد يتنبأ به النظر فقط في الاتصالات المباشرة "السلكية" بين الخليتين. كشفت المحاكاة أن الدماغ يعتمد بشدة على هذا "الضباب" الكيميائي لتنظيم النشاط، وهو ميكانزم يُفقد عندما يتم التعامل مع البيئة كفراغ فارغ.

سمحت المنصة للباحثين أيضًا باستكشاف دور الخلايا النجمية (astrocytes)، وهي نوع من خلايا الدعم التي تحيط بالعصبونات وتساعد في الحفاظ على التوازن الكيميائي للدماغ. تمتلك هذه الخلايا أغصانًا دقيقة للغاية تشبه الشعر تصل إلى أصغر الفجوات بين العصبونات. بنى الباحثون نماذج تتضمن هذه الأغصان النانوية ووجدوا أن شكلها وكثافتها تحديدًا يتحكمان في كيفية انتقال إشارات الكالسيوم داخل الخلية النجمية. علاوة على ذلك، أظهروا أن هذه الخلايا تعمل كمنظم للبوتاسيوم؛ فعندما قاموا بمحاكاة مجموعة من الخلايا النجمية تحيط بعصبون نشط، امتصت الخلايا البوتاسيوم الزائد الذي أطلقه العصبون، مما أدى بدوره إلى خفض معدل إطلاق العصبون. أثبت هذا أن مجموعة صغيرة من خلايا الدعم يمكن أن تخمد نشاط العصبون فعليًا بمجرد إدارة "الحساء الكيميائي" من حوله، وهو شكل من أشكال التواصل يحدث دون أي اتصال كهربائي مباشر.

لعل التطبيق الأكثر إثارة للدهشة لهذا النهج الجديد يتعلق بغمد الميالين (myelin sheath)، وهو العازل الدهني الذي يلتف حول الألياف العصبية لتسريع الإشارات. لفترة طويلة، صوّر العلماء الميالين كمادة عازلة سلبية للكهرباء، مثل الغطاء البلاستيكي للسلك. لكن BRAINCELL عامل الميالين كجزء حي من الخلية، مأهول بقنوات أيونية خاصة به تدير البوتاسيوم بنشاط. عندما قام الباحثون بمحاكاة ليف عصبي يطلق نبضاته بسرعة عالية، وجدوا أنه إذا تمت إزالة هذه القنوات، فإن البوتاسيوم الناتج عن العصبون سيتراكم تحت غمد الميالين. تسبب هذا التراكم في النهاء إلى فشل الإشارة، مما أدى إلى توقف النبضة العصبية عن الانتقال. تشير المحاكاة إلى أن غمد الميالين ليس مجًا مجرد غلاف سلبي، بل هو مشارك نشط في الحفاظ على سلاسة الإشارات العصبية، وأن فشله في إدارة الأيونات قد يكون عاملًا رئيسيًا في انهيار الإشارات العصبية.

أخيرًا، أظهر الباحثون كيف يمكن استخدام هذه المنصة لنمذجة الخلايا المناعية في الدماغ، المعروفة باسم الخلايا الدبقية الصغيرة (microglia). قاموا ببناء نموذج لخلية دبقية صغيرة وأدخلوا مصدرًا لإشارة كيميائية تسمى ATP بالقرب منها. أظهرت المحاكاة كيف انتشرت المادة الكيميائية عبر الفضاء وحفزت استجابة في الخلية، مع تباين شدة الاستجابة اعتمادًا على مدى قرب أجزاء مختلفة من الخلية من المصدر. سلط هذا الضوء على كيفية دمج شكل الخلية وحركة المواد الكيميائية في المساحة المحيطة لإنشاء تفاعل معقد وغير متساوٍ عبر سطح الخلية.

لا يدعي العمل المقدم في هذه الورقة أنه حل كل أسرار الدماغ، ولكنه يوفر عدسة جديدة وقوية للنظر من خلالها. فمن خلال الابتعاد عن النماذج الساكنة والمبسطة وتبني الواقع الفوضوي والديناميكي لبيئة الدماغ وبنيته، أظهر الباحثون أن العديد من القواعد التي تحكم نشاط الدماغ أكثر تعقيدًا مما كان يُعتقد سابقًا. تشير النتائج إلى أن التفاصيل الدقيقة لشكل الخلايا والتحولات الكيميائية المستمرة في المساحة بين الخلايا ليست مجرد ملاحظات هامشية، بل هي لاعبون مركزيون في كيفية تفكير الدماغ، وتعلمه، واستجابته للعالم. المنصة نفسها متاحة الآن للعلماء الآخرين لاستخدامها، مما يوفر وسيلة لاختبار هذه الأفكار الجديدة واستكشاف الدماغ بطريقة كانت مستحيلة في السابق.