Neural Fingerprinting based on Brain Network Dynamics: A Cross-Platform MEG Study

كل دماغ بشري هو آلة فريدة، تعزف سيمفونية من الإشارات الكهربائية التي لا تتكرر تماماً بنفس الطريقة لأي شخص آخر. وبينما درس العلماء منذ فترة طويلة كيفية عمل الأدمغة في المتوسط، بحثاً عن أنماط تنطبق على الجميع، يركز مجال استقصائي أحدث على ما يجعل دماغ كل شخص متميزاً. هذا المفهوم، المعروف باسم "البصمة العصبية"، يقوم على فكرة بسيطة ولكنها قوية، وهي أنه إذا قمت بقياس نشاط الدماغ بدقة كافية، يمكنك تحديد فرد معين بمجرد النظر إلى بياناته، تماماً كما يتعرف نظام أمني على شخص ما من خلال بصمته الفريدة. هذه القدرة على تمييز شخص عن آخر ليست مجرد فضول؛ بل توفر طريقة محتملة لتتبع كيفية تغير دماغ الشخص بمرور الوقت أو عند حدوث مرض ما، مما يوفر خط أساس شخصي للصحة. وللقيام بذلك، غالباً ما يستخدم الباحثون تقنية تسمى تخطيط مغناطيسية الدماغ (MEG)، والتي ترصد المجالات المغناطيسية الضئيلة الناتجة عن التيارات الكهربائية في الدماغ. وتتميز هذه الطريقة بقدرتها على التقاط نشاط الدماغ بسرعة هائلة، حيث تسجل التغييرات كما تحدث في أجزاء من الثانية، بدلاً من مجرد إظهار متوسط بطيء وضبابي.

لسنوات، اعتمدت هذه التقنية على آلات ضخمة وباهظة الثمن كان لابد من حفظها في درجات حرارة شديدة البرودة لتعمل، باستخدام مستشعرات تسمى (SQUIDs). ومع ذلك، ظهر مؤخراً جيل جديد من المستشعرات يسمى "المغناطيسات الضخية المتأثرة ضوئياً" (OPMs). هذه الأجهزة الجديدة صغيرة وخفيفة الوزن ولا تحتاج إلى تبريد شديد، مما يسمح لها بالاستقرار بالقرب من فروة الرأس والتقاط إشارات أكثر وضوحاً في المحتمل. ومع نضوج هذه التكنولوجيا، يحتاج العلماء إلى معرفة ما إذا كان بإمكانها القيام بنفس العمل الدقيق الذي تقوم به الآلات القديمة. هل تستطيع هذه المستشعرات الجديدة، الأكثر مرونة، التقاط نفس البصمات العصبية الفريدة؟ علاوة على ذلك، نظرت معظم الدراسات السابقة إلى نشاط الدماغ من خلال حساب متوسطه عبر الزمن، مما يخلق صورة ثابتة. لكن الدماغ ديناميكي، ويتنقل باستمرار بين أنماط مختلفة من النشاط. ويبقى سؤال جوهري قائماً: هل تكمن الهوية الفريدة للشخص في الإشارات البطيئة والمتوسطة، أم أنها مخبأة داخل التغيرات السريعة والعابرة لديناميكيات الشبكة العصبية؟

في دراسة حديثة، سعى الباحثون للإجابة على هذه الأسئلة من خلال مقارنة البيانات من كل من المستشعرات التقليدية الباردة والمستشعرات الجديدة التي تعمل في درجة حرارة الغرفة. استعانوا بخمسة عشر بالغاً يتمتعون بصحة جيدة، وفحص كل منهم أربع مرات في يوم واحد. استخدمت جلستان من هذه الجلسات تقنية (SQUID) الأقدم، واستخدمت الجلستان الأخريان تقنية (OPM) الأحدث. وأثناء عمليات الفحص، أدى المشاركون مهمة تضمنت الانتباه إلى الأنماط اللمسية على أصابعهم، مما سمح للباحثين بمراقبة كيفية استجابة أدمغتهم للتحفيز. أراد الفريق معرفة ما إذا كان بإمكانهم تحديد كل شخص بشكل صحيح عند مقارنة فحوصاته ببعضها البعض، وما إذا كان بإمكانهم تحديدهم أيضاً عند مقارنة فحص من نوع معين من الآلات بفحص من النوع الآخر. واختبروا طريقتين مختلفتين للنظر في البيانات: إحداهما تعتمد على حساب متوسط الإشارات بمرور الوقت لإنشاء ملف تعريف ثابت، والأخرى تستخدم نموذجاً حاسوبياً متطوراً لتتبع كيفية انتقال الدماغ بين حالات النشاط المختلفة، مما يلتقط الديناميكيات السريعة للشبكات العصبية.

أكدت النتائج أن التوقيع الفريد لدماغ كل شخص قوي ويمكن العثور عليه باستخدام كلا النوعين من الآلات. فعندما نظر الباحثون في البيانات الثابتة والمتوسطة، تمكنوا بنجاح من تحديد كل مشارك، سواء كانوا يقارنون بين فحصين من نفس الآلة، أو واحداً من الآلة الجديدة مقابل الآخر من الآلة القديمة. وتتماشى هذه النتيجة مع الأعمال السابقة، مما يثبت أن البصمات الكهربائية الأساسية للدماغ مستقرة بما يكفي لتجاوز الانتقال إلى التكنولوجيا الأحدث. ومع ذلك، ذهبت الدراسة إلى عمق أكبر من خلال فحص الأنماط الديناميكية والمتغيرة لنشاط الدماغ. وباستخدام نموذج مدرب مسبقاً تعلم الأنماط الشائعة لحالات الدماغ من آلاف التسجيلات الأخرى، حلل الفريق كيفية ظهور هذه الحالات في بياناتهم الجديدة. ووجدوا أن النموذج يعمل بشكل جيد لكل من المستشعرات القديمة والجديدة، حيث نجح في رسم خرائط لحالات الدماغ المتغيرة في الوقت الفعلي.

وعندما استخدموا هذه الأنماط الديناميكية لمحاولة تحديد الأفراد، كانت النتائج مختلطة ولكنها كاشفة. وجد الباحثون أنه بإمكانهم تحديد الأشخاص بدقة عالية من خلال النظر في التوقيت المحدد لبدء وانتهاء حالات الدماغ، ومن خلال تحليل محتوى التردد لتلك الحالات. هذه السمات، التي تصف إيقاع وبنية الطيف المحددة لنشاط الدماغ، ظلت ثابتة لكل شخص عبر كل من الآلات القديمة والجديدة. وهذا يشير إلى أن الهوية الجوهرية لشخص ما مشفرة في التوقيت النسبي وبنية هذه الشبكات الديناميكية. ومع ذلك، عندما حاول الباحثون تحديد الأشخاص باستخدام أرقام ملخصة بسيطة، مثل مدة بقاء حالة دماغية معينة أو عدد مرات الانتقال إلى حالة أخرى، تغيرت النتائج. فبينما تمكنوا من تحديد الأشخاص عند مقارنة الفحوصات من نفس الآلة، فشلوا في القيام بذلك عند مقارنة الفحوصات عبر الآلتين المختلفتين.

يسلط هذا الفشل في تحديد الهوية عبر الآلات باستخدام الإحصاءات الملخصة الضوء على تمييز جوهري. فالأرقام المطلقة، مثل النسبة المئوية الدقيقة للوقت المستغرق في حالة معينة، حساسة للاختلافات الفيزيائية بين النوعين من المستشعرات. فالمستشعرات الجديدة توضع أقرب إلى الدماغ ولها خصائص ضوضاء مختلفة، مما يؤدي إلى إزاحة هذه القيم المطلقة بطريقة تحجب هوية الفرد. وفي المقابل، فإن الأنماط النسبية لكيفية استجابة الدماغ للمحفز -أي شكل المنحنى بمرور الوقت- تظل مستقرة وفريدة لكل شخص بغض النظر عن الآلة المستخدمة. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما تعد تقنية (OPM) الجديدة قادرة تماماً على التقاط البصمات العصبية الفريدة للأفراد، فإن الطريقة التي نحلل بها تلك البيانات أمر بالغ الأهمية. فمن أجل تحديد شخص ما بنجاح عبر منصات المسح المختلفة، يجب أن ننظر إلى البنية النسبية لديناميكيات الدماغ بدلاً من مجرد الكميات المطلقة الخام. ويمثل هذا العمل خطوة حيوية للأمام، حيث يظهر أن الجيل الجديد من ماسحات الدرة قادر على الانضمام إلى القديم في رسم الخريطة الفريدة لعقل الإنسان، بشرط استخدام الأدوات الصحيحة لقراءة الإشارات.