Emergent locomotion from anatomy alone: a whole-connectome, conductance-based neuromechanical model of Caenorhabditis elegans

لفهم كيفية تحرك الكائن الحي، ينظر العلماء غالبًا إلى شيئين منفصلين: المخطط السلكي لدماغه والميكانيكا الفيزيائية لجسده. المخطط السلكي، المعروف باسم "الكونكتوم" (connectome)، يرسم كل اتصال بين الخلايا العصبية، تمامًا مثل خريطة تفصيلية لطرق مدينة ما. أما الميكانيكا، فتصف كيف تسحب العضلات الجسم لخلق الحركة. لعقود من الزمن، كافح الباحثون لدمج هاتين الخريطتين في نموذج واحد عامل يمكنه تفسير كيف يقرر حيوان صغير التحرك للأمام، أو الخلف، أو التوقف. كان السؤال الكبير هو ما إذا كان المخطط الخام للجهاز العصبي، عند منحه خصائص كهربائية واقعية، كافيًا لتوليد سلوك معقد بمفرده، أم أن الدماغ يحتاج إلى إيقاع منفصل ومبرمج مسبقًا ليخبره بكيفية الحركة. يمس هذا السؤال لغزًا أعمق في علم الأحياء يُسمى "التدهور الوظيفي" (degeneracy)، وهو فكرة أن العديد من الإعدادات الداخلية المختلفة يمكن أن تنتج نفس النتيجة الخارجية تمامًا. وإذا كان هذا صحيحًا، فإن الجهاز العصبي قد يكون قويًا للغاية، وقادرًا على الاستمرار في العمل حتى لو تغيرت أجزاء فردية منه أو فشلت.

تتناول دراسة جديدة أجراها هوان لي من شركة شانغهاي ليانغتا للتكنولوجيا الحيوية (Shanghai Liangta Biotech Co., Ltd) هذه المشكلة باستخدام دودة الأرض المستديرة (Caenorhabditis elegans)، وهي مخلوق بسيط للغاية لدرجة أن جهازها العصبي بأكمله قد تم رسم خريطته بالكامل. تمتلك هذه الدودة 302 خلية عصبية بالضبط، وقد رسم العلماء بالفعل صورة كاملة لكيفية اتصالها. قام "لي" ببناء محاكاة حاسوبية ضخمة تعيد الحياة لهذا الجهاز العصبي بأكمله. وبدلاً من تبسيط الخلايا العصبية إلى مفاتيح بسيطة تعمل بنظام (تشغيل/إيقاف)، يعامل النموذج كل خلية من الخلاي الـ 292 في جسم الدودة كوحدة كهربائية معقدة تحتوي على سبعة عشر نوعًا مختلفًا من قنوات الأيونات. تعمل هذه القنوات كبوابات صغيرة تتحكم في تدفق الكهرباء والمواد الكيميائية داخل الخلية. يتضمن النموذج أيضًا جسم الدودة، الذي تمت محاكاته كقضيب مرن يمكنه الانحناء، ويربط الدماغ بالجسم بحيث يمكن للعضلات الشعور بانحناء الجسم وإرسال تلك المعلومات مرة أخرى إلى الدماغ. والأهم من ذلك، أن الباحثين لم يعلموا النموذج كيفية التحرك؛ فلم يقوموا بتعديل الأرقام لجعل الدودة تمشي بشكل صحيح، بل قاموا ببساطة بتوصيل الروابط الفيزيائية المعروفة والخصائص الكهربائية المعروفة للخلايا، ثم قاموا بتشغيله.

كانت النتيجة مفاجئة. فبدون أي تدريب أو إيقاع مبرمج مسبقًا، بدأت المحاكاة في التحرك من تلقاء نفسها. الشبكة العصبية، المدفوعة فقط بإشارة كهربائية ثابتة ولطيفة، ولدت موجة من الانحناء انتقلت من رأس الدودة إلى ذيلها. دفعت هذه الموجة الدودة الافتراضية للأمام عبر الشاشة بسرعة 0.210 مليمتر في الثانية، وبتردد تذبذب بلغ 0.58 هرتز. طابقت هذه الأرقام حركة الديدان الحقيقية بشكل شبه مثالي. تُظهر الدراسة أن التشريح وحده — أي الطريقة المحددة التي ترتبط بها الخلايا العصبية ببعضها البعض، مقترنة بسلوكها الكهربائي الطبيعي — كافٍ لخلق حركة منظمة وواقعية. لم يأتِ إيقاع الحركة من ساعة مركزية في الدماغ، بل انبثق طبيعيًا من الحلقة المكونة من الدماغ والعضلات وحس الجسم لموقعه. وهذا يؤكد أن الجهاز العصبي للدودة لا يحتاج إلى دليل تعليمات مخفي للمشي؛ فالتعليمات مبنية بالفعل داخل البنية الفيزيائية للروابط.

بعد ذلك، اختبر الباحثون مدى هشاشة هذا النظام حقًا. أجروا سلسلة من التجارب الافتراضية حيث قاموا بإيقاف أنواع معينة من قنوات الأيونات في كل خلية عصبية في وقت واحد، محاكيين بذلك طفرة جينية. في بعض الحالات، غيرت هذه التغييرات الحالة الكهربائية الداخلية للخلايا بشكل جذري، مما أدى إلى إزاحة جهد الراحة بمقدار يصل إلى 12 ميلي فولت وتغيير قوة استجابتها بنسبة تقارب 50 بالمائة. ورغم هذه التغييرات الداخلية الهائلة، لم يتغير حراك الدودة تقريبًا؛ حيث تغيرت سرعة وتردد التذبذب بنسبة أقل من 0.3 بالمائة. توفر هذه النتائج دليلًا قويًا على مفهوم التدهور الوظيفي على مستوى الحيوان بأكمله. فهي تشير إلى أن الجهاز العصبي مصمم بقدر كبير من الفائض بحيث يمكنه امتصاص التقلبات الداخلية الضخمة دون فقدان القدرة على أداء الوظيفة. إن السلوك محمي ليس بواسطة قناة واحدة، بل من خلال القدرة الجماعية للشبكة بأكملها على التعويض عن التغييرات في أجزائها.

ومع ذلك، كان في النموذج الأولي عيب صغير واحد: كانت انحناءات جسم الدودة ضحلة قليلًا مقارنة بالديدان الحقيقية. ولإصلاح ذلك، أضاف الباحثون طبقة واحدة من الإشارات الكيميائية التي اكتُشفت في السنوات الأخيرة ولكنها كانت مفقودة من النماذج السابقة. يتضمن هذا النظام خلية عصبية محددة تسمى DVA، والتي تطلق رسولًا كيميائيًا يعمل مثل "مقبض التحكم في الصوت" للعضلات. عندما ينحني الجسم، تستشعر هذه الخلية التمدد وتقوم بتعزيز الإشارة المرسلة إلى العضلات، مما يجعل الانحناءات أكثر عمقًا. وعند إضافة هذه الآلية الواحدة، زاد سعة انحناء المحاكاة لتطابق النطاق البيولوجي. سمح هذا التعديل أيضًا للنموذج بإعادة إنتاج سلوك الديدان الحقيقية ذات الطفرات الجينية في هذا النظام، والتي تُعرف بأنها تتحرك ببطء أكبر وانحناءات أقل عمقًا. علاوة على على ذلك، استجاب النموذج لعقار محدد، وهو "ألديكارب" (aldicarb)، بنفس الطريقة التي تستجيب بها الديدان الحقيقية. فعند إدخال العقار، تسارعت الديد المحاكية ذات النظام الكيميائي السليم بسرعة، بينما لم تفعل الديد ذات النظام المعطل ذلك، مما عكس التجارب الواقعية.

أخيرًا، اختبر الفريق النموذج مقابل تجارب محددة يستخدم فيها العلماء الضوء لتشغيل وإيقاف خلايا عصبية فردية. عندما قاموا بمحاكاة تشغيل خلية عصبية تسمى AVA، انعكس اتجاه الدودة الافتراضية فورًا وبدأت في الزحف للخلف، تمامًا كما تفعل الديدان الحقيقية. وعندما قاموا بمحاكاة تشغيل خلية عصبية تسمى RIS، المرتبطة بالنوم، توقفت الدودة عن الحركة تمامًا وظلت ساكنة حتى تم إطفاء الضوء. أظهرت هذه النتائج أن النموذج يلتقط المنطق الأساسي لسلوك الدودة. وتخلص الدراسة إلى أن مخطط التوصيل الكامل، عند منحه خصائص كهربائية واقعية، كافٍ لتوليد سلوك معقد. كما تسلط الضوء على أنه بينما يمثل التوصيل الأساس، فإن طبقة محددة من التعديل الكيميائي ضرورية لضبط الحركة بدقة لتطابق دقة الكائن الحي. يوفر هذا العمل طريقة جديدة لدراسة كيفية عمل الأدمغة، مما يقدم أداة يمكن للعلماء من خلالها اختبار كيف يمكن للتغيرات في الجينات أو الأدوية أن تؤثر على السلوك قبل لمس أي كائن حي.