Directional coordination along the cortical hierarchy is selectively reorganized in schizophrenia

إن الدماغ البشري ليس آلة ثابتة، بل هو مشهد ديناميكي يتغير باستمرار بين أنماط تشغيل مختلفة. لعقود من الزمن، فهم العلماء أن الدماغ منظم في تسلسل هرمي، وهو هيكل طبقي تتعامل فيه المناطق الدنيا مع المدخلات الحسية الأساسية مثل الرؤية والسمع، بينما تدير المناطق العليا الأفكار المعقدة والتخطيط. وكان السؤال المركزي في علم الأعصاب هو كيف تتواصل هذه الطبقات مع بعضها البعض. هل ترسل المناطق العليا تعليمات إلى المناطق الدنيا، أم ترسل المناطق الدنيا بيانات خام للمعالجة؟ في الاضطراب المعروف باسم الفصام، يُعتقد أن هذا التواصل يتعطل، مما يؤدي إلى عالم تبدو فيه التجارب الحسية غير مصفاة ومنفصلة عن السياق. ومع ذلك، وحتى الآن، كانت الأدوات المستخدمة لدراسة الدماغ تشبه كاميرا تسجل فقط سطوع المشهد ولكنها تتجاهل اتجاه الضوء؛ فقد استطاعت إخبار الباحثين بمدى قوة اتصال منطقتين في الدماغ، لكنها لم تستطع رؤية أي منطقة تقود المحادثة في أي لحظة معينة.

لقد غيرت دراسة جديدة أجراها باحثون في المركز الثلاثي للبحوث الانتقالية في التصوير العصبي وعلم البيانات، هذا الواقع من خلال تطوير طريقة لرؤية اتجاه حركة المرور في الدماغ. ومن خلال تحليل فحوصات الدماغ لمئات الأشست، بما في ذلك المصابون بالفصام، اكتشف الفريق أن الدماغ ينتقل طبيعيًا عبر ثلاث حالات متميزة من التواصل. في حالة واحدة، تقود مناطق التفكير العليا المناطق الحسية الدنيا، وتعمل مثل مدير يعطي التعليمات. وفي حالة أخرى، تقود المناطق الحسية، حيث ترسل البيانات الخام للأعلى. وفي حالة ثالثة متوازنة، يتبادل الجانبان المعلومات بالتساوي. ووجد الباحثون أنه في حالات الفصام، يختل هذا الإيقاع الطبيعي؛ فبدلاً من الانتقال بحرية بين هذه الحالات، يعلق الدماغ في الحالة المتوسطة المتوازنة ويفقد قدرته على الحفاظ على حالة "القيادة من الأعلى". هذا الخلل المحدد، الذي كان غير مرئي بالأساليب السابقة، يرتبط بشدة الأعراض ومدى قدرة الشخص على التفكير.

بدأت الدراسة بالنظر في فحوصات حالة الراحة للدماغ لـ 151 فردًا مصابًا بالفصام و160 شخصًا من الأصحاء. استخدم الباحثون نهجًا رياضيًا متخصصًا يحافظ على الفروق الزمنية بين إشارات الدماغ، مما سمح لهم برؤية أي منطقة تقود وأيها تتبع. ووجدوا أن الأدمغة السليمة تتحرك عبر ثلاثة أنماط متكررة. أحد الأنماط، الذي أطلقوا عليه اسم "التغذية الراجعة" (feedback)، يحدث عندما تقود مناطق الارتباط في الدماغ — المسؤولة عن التفكير المعقد — المناطق الحسية. وهناك نمط آخر، يسمى "التغذية الأمامية" (feedforward)، يحدث عندما تقود المناطق الحسية مناطق الارتباط. أما النمط الثالث، وهو "التكاملي" (integrative)، حيث يكون التدفق متوازنًا. ظهرت هذه الأنماط الثلاثة باستمرار عبر مجموعات مختلفة من الناس وأجهزة مسح مختلفة، مما يثبت أنها ميزة أساسية لكيفية عمل الدماغ.

وعندما قارن الباحثون بين المجموعة السليمة ومجموعة الفصام، وجدوا إعادة تنظيم انتقائية لهذه الأنماط. فقد قضت أدمغة المصابين بالفصام وقتًا أقل بكثير في حالة التغذية الراجعة، حيث تقود المناطق العليا المناطق الدنيا. كما قضوا وقتًا أطول في الحالة التكاملية، حيث يكون التدفق متوازنًا. والأهم من ذلك، أن حالة التغذية الأمامية، حيث تقود المناطق الحسية، ظلت دون تغيير إلى حد كبير. وهذا يعني أن الاضطراب لا يضعف جميع الروابط ببساطة، بل يؤدي تحديدًا إلى تآكل القدرة على الحفاظ على نظام توجيه من الأعلى إلى الأسفل. كما تحرك دماغ المصابين بالفستام بين هذه الحالات بشكل أقل واستقر في أنماطه بسرعة أكبر، مما يشير إلى فقدان المرونة. وقد أكد الباحثون هذه النتائج في مجموعة ثانية مستقلة من المرضى والأصحاء، لضمان أن النتائج ليست مجرد صدفة ناتجة عن مجموعة بيانات واحدة.

كما استكشفت الدراسة كيفية ارتباط أنماط الدماغ هذه بالسلوك الواقعي والأعراض. ففي الأشخاص الأصحاء، ارتبطت السرعة التي يستقر بها الدماغ في نمط مستقر بقدرات التعلم الأفضل. ومع ذلك، في حالة الفصام، انقلب هذا الارتباط: حيث ارتبط نفس الاستقرار السريع بضعف الانتباه وانخخفض الأداء المعرفي. وهذا يشير إلى أنه بينما يكون وضع الدماغ المستقر مفيدًا للعقل السليم، فإنه في الدماغ المضطرب يمثل انهيارًا في نمط جامد وغير منتج. علاوة على على ذلك، ارتبطت شدة الأعراض الإيجابية، مثل الهلاوس أو الأوهام، بمدى تكرار انزلاق الدماغ من الحالة المتوازنة إلى حالة التغذية الأمامية. فكلما زاد ميل الدماغ نحو ترك البيانات الحسية تقود دون سياق، زادت شدة الأعراض.

ولإثبات أن هذه الأنماط لم تكن مجرد خدعة إحصائية بل خاصية حقيقية يمكن التحكم فيها في الدماغ، اختبر الباحثون النظام في مجموعة منفصلة من المتطوعين الأصحاء تحت ظروف مختلفة. استخدموا عقار البروبوفول لتخدير المتطوعين ومهمة ذهنية تتضمن تخيل لعب التنس لإشراك عقولهم. أدى التخدير إلى نقل نشاط الدماغ نحو حالة التغذية الراجعة، حيث تقود المناطق العليا، بينما نقلت مهمة التخيل الذهني النشاط نحو حالة التغذية الأمامية. أظهر هذا التحول المزدوج أن المحور الاتجاهي للدماغ يمكن تحريكه تجريبيًا، مما يؤكد أن الاضطراب المشاهد في الفصام هو فشل ديناميكي حقيقي وليس عيبًا تشريحيًا ثابتًا.

كما حرص الباحثون على استبعاد تفسيرات أخرى لنتائجهم. فقد أظهروا أن اتجاه الإشارات لم يكن ناتجًا عن تأخير ثابت في تدفق الدم، وهو أمر شائع في تصوير الدماغ، لأن الاتجاه تغير بسرعة داخل مسح واحد. كما أثبتوا أن هذا التنظيم الاتجاهي لا يمكن تفسيره بمبادئ معروفة أخرى في الدماغ، مثل مستويات الاستثارة العالمية أو التوزيع العام لروابط الدماغ. كانت الأنماط الاتجاهية التي وجدوها فريدة وحملت معلومات لا يمكن لأي مقياس آخر التقاطها.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل طريقة جديدة لفهم التسلسل الهرمي للدماغ أثناء العمل. فهو يكشف أن الفصام ليس مجرد اضطراب في ضعف الروابط، بل هو اضطراب في الاتجاه. يفقد الدماغ قدرته على الحفاظ على التوجيه من الأعلى إلى الأسفل الذي يساعدنا على فهم العالم، ويستقر في منطقة وسطى حيث تتدفق المعلومات دون قيادة واضحة. ومن خلال تحديد هذا الفشل الديناميكي المحدد، تقدم الدراسة هدفًا جديدًا محتملاً لفهم المرض وتطوير علاجات يمكن أن تساعد في استعادة إيقاع الدماغ الطبيعي. وتشير النتائج إلى أن المفتاح لهذا الاضطراب لا يكمن في قوة الروابط، بل في اتجاه التدفق، وهو بُعد لنشاط الدماغ كان مخفيًا في وضح النهار.