Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

إن الدماغ عبارة عن آلة صُممت لفهم العالم، ومع ذلك تظل واحدة من أكثر أعمق أسراره هي كيف يمكن لشبكة فيزيائية من الخلايا أن تولد تجربة داخلية خاصة. نحن نعلم أن الخلايا العصبية تتصل ببعضها البعض، وتمرر الإشارات مثل النبضات الكهربائية أو الهمسات الكيميائية لبناء تصوراتنا وذكرياتنا. لكن الخريطة القياسية لهذه الاتصالات، المعروفة باسم "الكونكتوم" (المخطط العصبي)، لم تشرح بعد كيف يخلق الدماغ الشعور بـ "الذات" أو الإحساس المحدد برائحة أو طعم ما. تقترح فكرة نظرية تسمى "فرضية الشبه" (semblance hypothesis) قطعة مفقودة: وهي أنه عندما يتعلم الدماغ ربط شيئين معاً، فإن النهايات المستقبلة الصغيرة للخلايا العصبية المعنية قد تتلامس فيزيائياً أو تترابط بطريقة تسمح لها بمشاركة إشاراتها مباشرة. إذا كان هذا صحيحاً، فيمكن للدماغ أن يولد ذكرى لشيء ما بمجرد تنشيط الاتصال بشيء آخر، مما يخلق إحساساً من منظور الشخص الأول دون وجود المثير الأصلي. ولاختبار ما إذا كانت مثل هذه الآلية يمكن أن توجد في كائن حي، لجأ الباحثون إلى كائن يتميز بجهاز عصبي بسيط بما يكفي ليتم رسم خريطة كاملة له، ومعقد بما يكفي للتعلم والتذكر.

موضوع هذا الاستقصاء هو دودة "سي إي إليجانز" (C. elegans)، وهي كائن حي ضئيل الحجم يحتوي على 302 خلية عصبية بالضبط في جسمه البالغ. لقد أعاد العلماء بالفعل بناء مخطط التوصيل الكامل للجهاز العصبي لهذه الدودة باستخدام مجاهر إلكترونية قوية، مما أنشأ خريطة ثلاثية الأبعاد لكل اتصال بين كل خلية عصبية. وفي هذه الدراسة، ركز الباحثون على جزء محدد من دماغ الدودة يسمى "الحلقة العصبية"، والتي تحتوي على حوالي 180 خلية عصبية من هذه الخلايا. كانوا مهتمين بشكل خاص بكيفية تعلم الدودة ربط الحواس المختلفة، مثل ربط رائحة الطعام بطعمه، أو الإحساس بالحرارة بموقع معين. اقترحت النظرية التي كانوا يختبرونها أنه لكي تحدث هذه الارتباطات، يجب أن تتقارب الخلاوت العصبية التي تستشعر الطعام والرائحة والحرارة جميعها عند خلية عصبية مستقبلة واحدة، وأن تكون الروابط بينها كيميائية بدلاً من أن تكون كهربائية. علاوة على ذلك، إذا صحت النظرية، فإن النهايات المستقبلة الصغيرة لهذه الأعصاب الحسية يجب أن تكون متكدسة بإحكام في نقاط محددة على تلك الخلية العصبية المستقبلة، بحيث تكاد تتلامس، للسماح بالمشاركة المباشرة للإشارات.

فحص الباحثون ثلاث خرائط مختلفة ومكتملة لإعادة بناء الحلقة العصبية للدودة لمعرفة ما إذا كانت الأعصاب الحسية للطعام والرائحة والحرارة تلتقي بالفعل حيث توقعت النظرية. ووجدوا أن الأعصاب التي تستشعر الطعام، والأعصاب التي تستشعر الروائح، والأعصاب التي تستشعر الحرارة، توجه جميعها الغالبية العظمى من اتصالاتها إلى خلية عصبية بينية واحدة تسمى "AIY". كان هذا التقارب أكثر تحديداً مما قد تسمح به الصدفة؛ فهذه الأعصاب الحسية لم تكن تشتت اتصالاتها عشوائياً بين العديد من الخلايا العصبية المتاحة، بل ركزت بكثافة على هذا الهدف الواحد. بالإضافة إلى ذلك، تحقق الباحثون من نوع الاتصالات التي عقدتها هذه الأعصاب؛ وبينما يحتوي الجهاز العصبي للدودة على مزيج من الروابط الكهربائية والكيميائية، كانت الاتصالات من هذه الأعصاب الحسية إلى خلية "AIY" العصبية كيميائية بالكامل تقرياً. وهذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأن الآلية المقترحة لخلق الأحاسيس الداخلية تعتمد على النقل الكيميائي، الذي يسمح بالتغييرات المحددة والمرنة اللازمة للتعلم، بدلاً من الطبيعة الجامدة والفورية للروابط الكهربائية.

كان الجزء الأكثر دقة في الاختبار هو البحث عن القرب الفيزيائي. وبما أن أعصاب الدودة لا تمتلك الهياكل المتفرعة المعقدة الموجودة في الحيوانات الأكبر حجماً، فقد بحث الباحثون عن الأماكن التي تهبط فيها النهايات المستقبلة لأعصاب حسية مختلفة في نفس النقطة تماماً على خلية "AIY". واكتشفوا أن الأعصاب التي تستشعر الطعام كانت متكدسة بالفعل معاً في مواقع محددة على جانب واحد من خلية "AIY"، حيث بدت أقرب إلى بعضها البعض بكثير مما قد يتنبأ به الاحتمال العشوائي. لم يُلاحظ هذا التكدس بالنسبة للأعصاب التي تستشعر الرائحة أو الحرارة، كما لم يكن هناك أي تكتل خاص حيث تلتقي أعصاب من حواس مختلفة، مثل الطعام والرائحة. يشير هذا النمط إلى أن الدماغ يمتلك بنية ثابتة ومدمجة لمعالجة الإحساس بالطعام، وهو أمر بالغ الأهمية للبقاء، بينما قد تكون الروابط بين الحواس المختلفة، مثل الطعام والرائحة، مؤقتة ومرنة، وتتشكل فقط عندما تتعلم الدودة ارتباطاً جديداً وربما تتلاشى عندما لا تعود هناك حاجة إليها.

كشفت الدراسة أيضاً عن تناظر أنيق في كيفية ترتيب هذه الأعصاب. فالأعصاب التي تستشفر الطعام على الجانبين الأيسر والأيمن من جسم الدودة هبطت على خلية "AIY" بنمط مرآتي، حيث تكون الأعصاب في الجانب الأيسر أقرب إلى جسم الخلية في جانب واحد، والأعصاب في الجانب الأيمن أقرب في الجانب الآخر. هذان الجانبان من الخلية العصبية متصلان عند أطرافهما البعيدة بجسر مباشر، مما يسمح بمرور الإشارات بينهما. هذا الترتيب، جنباً إلى جنب مع حلقات التغذية الراجعة حيث ترسل خلية "AIY" إشارات عائدة إلى الأعصاب الحسية، يشير إلى دائرة يمكن أن تتذبذب أو تتبادل الإيقاع، مما قد يساعد الدودة على التنقل في بيئتها من خلال مقارنة المدخلات من كلا الجانبين. ومع ذلك، فقد كان الباحثون حذرين في ملاحظة أنه بينما تتطابق هذه السمات الهيكلية مع تنبؤات النظرية، إلا أنها ليست دليلاً على أن الآلية تعمل بالفعل. فالخرائط تظهر أن الأعصاب قريبة بما يكفي للتلامس، لكنها لا تستطيع إظهار ما إذا كانت مرتبطة بالفعل أو أنها تتشارك الإشارات بالطريقة التي تصفها النظرية.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل أساساً هيكلياً قوياً لنظرية حول كيفية خلق الدماغ للأحاسيس الداخلية، مُظهراً أن الجهاز العصبي للدودة منظم بطريقة تجعل مثل هذه الآلية ممكنة. تؤكد النتائج أن المدخلات الحسية تتقارب نحو هدف محدد، وأنها تستخدم النوع الصحيح من النقل الكيميائي، وتتجمع معاً بطريقة تسمح بالتفاعل المباشر. ومع ذلك، فإن غياب التكدس المماثل للارتباطات المتعلمة بين الحواس المختلفة يشير إلى أن هذه الروابط ليست معالم دائمة في دماغ الدودة، بل هي على الأرجح ديناميكية ومتغيرة. وللتأكد حقاً من النظرية، يحتاج العلماء إلى مراقبة هذه الاتصالات في حيوانات حية تتعلم، وإثبات أن تعطيل هذا الترتيب المحدد يوقف قدرة الدودة على الإدراك أو التذكر. وفي الوقت الحالي، تقدم خريطة دماغ الدودة لمحة مقنعة عن البنية الفيزيائية التي قد تكمن وراء الخطوات الأولى من التجربة الواعية.