How much of a nervous-system model does behaviour identify?
تُظهر هذه الدراسة أنه في حين يمكن للبيانات السلوكية أن تضع قيوداً على اتجاهات محددة في فضاء المعلمات لنماذج الجهاز العصبي للكائن الحي بأكل، فإن الغالبية العظمى من معلمات مقياس الاتصال العصبي تظل غير محددة، حيث يعتمد مدى إمكانية التحديد على تنوع المتطلبات الوظيفية للسلوكيات المستثارة.
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
لطالما سعى العلماء لبناء توائم رقمية لكائنات حية، وهي برامج حاسوبية تحاكي طريقة زحف الدودة أو مشي الذبابة. تُبنى هذه المحاكاة من آلاف الأجزاء الصغيرة: قوة الروابط بين الخلايا العصبية، والسرعة التي تنتقل بها الإشارات الكهربائية، والتفاعلات الكيميائية التي تبقي الخلايا على قيد الحياة. وكان الأمل يكمن في أنه إذا استطاع نموذج حاسوبي إعادة إنتاج حركة الحيوان بدقة، فإن الأرقام داخل ذلك النموذج يجب أن تطابق البيولوجيا الحقيقية للحيوان. فإذا تحركت الدودة الافتراضية تماماً مثل الدودة الحقيقية، فإن المنطق يقتضي أن الدودة الافتراضية يجب أن تكون مبنية بنفس إعدادات الدودة الحقيقية. لكن مجموعة متزايدة من الأعمال تشير إلى أن هذا قد لا يكون صحيحاً؛ فمن الممكن أن تنتج مجموعات مختلفة عديدة من الأرقام نفس الحركة تماماً، مما يعني أن مراقبة حركة الحيوان قد لا تكون كافية لمعرفة كيفية ترابط جهازه العصبي بدقة.
تضع دراسة جديدة أجراها تشينكسي هي في جامعة كامبريدج هذا التساؤل قيد الاختبار على نطاق واسم. فبدلاً من النظر إلى خلية عصبية واحدة أو مجموعة صغيرة منها، فحص الباحث نماذج محاكاة لكائن كامل، وهي دودة نيماتودا وذبابة فاكهة. تحتوي هذه النماذج على آلاف المعلمات (parameters) التي تحدد كيفية عمل الجهاز العصبي. ومن خلال تعديل كل رقم في هذه النماذج بشكل منهجي ومراقبة كيفية تغير السلوك، رسمت الدراسة خريطة توضح بالضبط أي أجزاء من النموذج تظل مقيدة بأفعال الحيوان وأي أجزاء تظل حرة للتغير. وتظهر النتائج أن السلوك هو دليل ضعيف جداً على التفاصيل الكاملة للجهاز العصبي. فبينما تحدد حركات الحيوان بعض التركيبات المحددة من الإعدادات، إلا أنها تترك الغالبية العظمى من الأرقام الداخلية للنموذج غير مقيدة تماماً.
ركزت الدراسة أولاً على نموذج مفصل لنيماتودا (C. elegans)، وهي دودة صغيرة يُعرف مخطط ترابط جهازها العصبي بالكامل. يحتوي هذا النموذج على 3,076 قوة اتصال مختلفة بين خلاياها العصبية. أجرى الباحث آلاف عمليات المحاكاة، مغيراً اتصالاً واحداً في كل مرة لمعرفة ما إذا كان نمط زحف الدودة سيتغير. كانت النتائج مذهلة: من بين تلك الاتصالات البالغ عددها 3,076، حدد سلوك الدودة ثمانية اتجاهات محددة فقط في فضاء جميع الإعدادات الممكنة. وحتى عندما نظر الباحث إلى معيار قياس أقل صرامة، ارتفع الرقم إلى 47 فقط. وهذا يعني أن 99% من قوة الاتصالات في النموذج يمكن تغييرها دون أن تلاحظ الدودة أي فرق في كيفية حركتها. يعمل سلوك الدودة مثل كشاف ضيق، يسلط الضوء على شريحة صغيرة ومحددة من النموذج بينما يترك الباقي في الظلام.
وقد ظل هذا النمط قائماً حتى عندما نظرت الدراسة إلى حيوان مختلف وجزء مختلف من الجهاز العصبي. ففي نموذج للنظام البصري لذبابة الفاكهة، والذي يعالج ما تراه الذبابة، وجد الباحث أنه من بين 330 إعداداً قابلاً للتعديل، قيد السلوك 14 إعداداً فقط. في كل من الدودة والذبابة، كانت الأجزاء من النموذج التي يتحكم فيها السلوك بصرامة هي الروابط التي تحمل الإشارات الرئيسية للحركة أو الرؤية. أما الأجزاء التي تُرِكت حرة للتغير فكانت غالباً هي التيارات الكيميائية المحددة داخل الخلايا. على سبيل المثال، في نموذج الدودة، كان السلوك غير حساس إلى حد كبير لنوعين محددين من قنوات الكالسيوم، مما يعني أنه يمكن تغيير قوتها بشكل كبير دون تغيير طريقة زحف الدودة. يشير هذا إلى أن الجهاز العصبي يتمتع بقدر كبير من المرونة؛ إذ يمكنه تحقيق النتيجة نفسها بالعديد من الإعدادات الداخلية المختلفة.
كما استكشف البحث ما إذا كان مراقبة قيام الحيوان بالمزيد من الأشياء سيساعد في تحديد المزيد من التفاصيل. اختبر الفريق نموذج الدودة مع أنواع مختلفة من الحركة، مثل الزحف في خط مستقيم مقابل التحرك نحو الطعام. ووجدوا أن إضافة المزيد من نفس نوع الحركة، مثل المشي بشكل أسرع أو أبطأ، لم يكشف عن معلومات جديدة تذكر. فالإعدادات في النموذج التي تتحكم في هذه الأفعال المتشابهة كانت محددة بالفعل بالحركة الأولى. ومع ذلك، عندما قام الحيوان بمهمة مختلفة وظيفياً، مثل التنقل نحو رائحة بدلاً من مجرد المشي، كشف النموذج عن مجموعة جديدة من الإعدادات المقيدة. لقد حددت سلوكيات الدودة في تدرج كيميائي روابط مختلفة عن سلوكها في المشي البسيط. ومع ذلك، حتى مع هذه المهام المختلفة، ظل جزء كبير من النموذج حراً. أظهرت الدراسة أنه لتعلم المزيد عن الجهاز العصبي، نحتاج إلى ملاحظة مجموعة واسعة من السلوكيات المتميزة، وليس مجرد تسجيلات أطول لنفس الفعل.
وللتأكد من أن هذه النتائج ليست مجرد سمة غريبة في نماذج الكمبيوتر، اختبر الباحث نفس الأساليب على نماذج خلايا أبسط حيث كانت الإجابات الصحيحة معروفة بالفعل. في هذه الحالات، نجحت الطريقة بشكل مثالي: فعندما كان النموذج صغيراً وكان السلوك بسيطاً، تم استعادة الإعدادات الصحيحة. ولكن عندما كان النموذج معقداً، مثل مسار إشارات MAPK الشهير، استطاعت المحاكاة مطابقة السلوك تماماً مع استخدام أرقام خاطئة تماماً للأجزاء الداخلية. أكد هذا أن المطابقة المثالية للسلوك لا تضمن تحديد البيولوجيا الأساسية بشكل صحيح. كما قارنت الدراسة نتائجها ببيانات بيولوجية حقيقية من علماء آخرين، مثل قياسات مدى تباين الخلايا العصبية بين أفراد النوع نفسه. طابقت الأنماط لما يتغير وما يبقى ثابتاً في الديدان والذباب الحقيقيين الأنماط الموجودة في نماذج الكمبيوتر، مما يشير إلى أن هذا "التراخي" هو سمة حقيقية في البيولوجيا، وليس مجرد خلل في عمليات المحاكاة.
الاستنتاج النهائي هو أن السلوك يحدد فضاءً معيناً منخفض الأبعاد داخل نموذج الجهاز العصبي، لكنه يترك الجزء الأكبر من فضاء ذلك النموذج مفتوحاً. الأجزاء من النظام التي يتم تقييدها هي تلك الضرورية للمهمة المحددة، بينما تمثل الأجزاء الحرة الاتجاهات التي يمكن للبيولوجيا أن تتنوع فيها دون عواقب. وهذا يعني أن بناء كائن رقمي يتصرف مثل كائن حقيقي لا يعني أننا اكتشفنا الإعدادات الدقيقة للكائن الحقيقي. بدلاً من ذلك، نكون قد وجدنا تركيبة عاملة من الإعدادات التي تصادف إنتاج الحركة الصحيحة. تعيد الدراسة صياغة هذا اليقين ليس كفشل في القياس، بل كسمة من سمات الحياة: فالجهاز العصبي قوي بما يكفي لتحمل مجموعة واسعة من التغييرات الداخلية طالما ظل المخرج النهائي، أي السلوك، فعالاً. ويخلص الباحث إلى أنه لفهم الجهاز العصبي حقاً، يجب أن ننظر إلى ما وراء السلوك الذي ينتجه، وندرك أن الطريق المؤدي إلى ذلك السلوك ممهد بالعديد من المسارات الممكنة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.