القانون الرياضي المكتشف وراء انتشار الخلايا العصبية في أدمغتنا

اكتشف باحثون من مشروع الدماغ البشري في Forschungszentrum Jülich وجامعة كولونيا (ألمانيا) كيفية توزيع كثافة الخلايا العصبية داخل المناطق القشرية في دماغ الثدييات. لقد كشفوا عن المبدأ التنظيمي الأساسي للهندسة الخلوية القشرية: التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي في كل مكان لكثافة الخلايا العصبية.

يلعب عدد الخلايا العصبية وترتيبها المكاني دورًا مهمًا في تشكيل بنية ووظيفة الدماغ. ومع ذلك، على الرغم من ثروة البيانات المعمارية الخلوية المتاحة، فإن التوزيعات الإحصائية لكثافة الخلايا العصبية لا تزال غير موصوفة إلى حد كبير. الدراسة الجديدة لمشروع الدماغ البشري (HBP)، المنشورة في المجلة القشرة الدماغيةيعزز فهمنا لبنية الدماغ في الثدييات.

تحليل مجموعات البيانات والتوزيع الطبيعي

تسعة من أصل سبع مجموعات بيانات متاحة للجمهور صِنف (الفأر، قرد القشة، المكاك، الجلاجو، قرد البومة، البابون والإنسان) قدمت الأساس لتحقيقات فريق البحث. بعد تحليل المناطق القشرية لكل منها، تتبع كثافة الخلايا العصبية داخل هذه المناطق نمطًا قياسيًا – التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي. وهذا يشير إلى مبدأ تنظيمي أساسي يكمن وراء كثافة الخلايا العصبية في دماغ الثدييات.

التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي هو توزيع إحصائي يتميز بمنحنى منحني على شكل جرس. على سبيل المثال، ينشأ هذا عند أخذ الأس لمتغير موزع بشكل طبيعي. وهو يختلف عن التوزيع الطبيعي بعدة طرق. والأهم من ذلك، أن منحنى التوزيع الطبيعي متماثل، في حين أن اللوغاريتم الطبيعي منحرف بذيل ثقيل.

الآثار المترتبة وأهمية النتائج

هذه الرؤية أمر بالغ الأهمية لنمذجة الدماغ الدقيقة. يقول ساشا فون ألباتا، رئيس مجموعة علم الأعصاب النظري في Forschungszentrum Jülich وكبير مؤلفي الورقة البحثية: “ليس أقله أن توزيع كثافة الخلايا العصبية يؤثر على الاتصال بالشبكة”. “على سبيل المثال، إذا كانت كثافة المشابك العصبية ثابتة، فإن المناطق ذات الكثافة العصبية المنخفضة ستستقبل المزيد من المشابك العصبية لكل خلية عصبية”، كما يوضح. ترتبط هذه الميزات أيضًا بتصميم التكنولوجيا المستوحاة من الدماغ مثل الأجهزة العصبية.

يضيف فان ألبادا: “علاوة على ذلك، نظرًا لأن المناطق القشرية غالبًا ما يتم تمييزها بناءً على البنية الخلوية، فإن معرفة توزيع كثافة الخلايا العصبية سيكون ذا صلة بالتقييم الإحصائي للاختلافات بين المناطق ومواقع الحدود بين المناطق”.

فهم التوزيعات اللوغاريتمية الطبيعية في خصائص الدماغ

ومن المثير للدهشة أن النتائج تتفق مع الملاحظات السابقة بأن العديد من خصائص الدماغ تتبع التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي. يقول ألكسندر فان ميكن، المؤلف الأول المشارك للدراسة: “أحد أسباب شيوعها في الطبيعة هو أنها تظهر عندما تأخذ ناتج العديد من المتغيرات المستقلة”. بمعنى آخر، ينشأ التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي بشكل طبيعي نتيجة لعمليات الضرب، على غرار كيفية ظهور التوزيع الطبيعي عند جمع متغيرات مستقلة متعددة.

يوضح فان ميجن: “باستخدام نموذج بسيط، تمكنا من إظهار كيف يؤدي تكاثر الخلايا العصبية أثناء النمو إلى توزيعات كثافة الخلايا العصبية المرصودة”.

ووفقا للدراسة، من حيث المبدأ، يمكن أن تكون الهياكل التنظيمية على مستوى القشرة الدماغية منتجات ثانوية للتطور أو التطور التي لا تؤدي أي وظيفة حسابية؛ لكن حقيقة وجود نفس الهياكل التنظيمية في العديد من الأنواع وفي معظم المناطق القشرية تشير إلى أن التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي يخدم غرضًا ما.

يقول آيتور موراليس جريجوريو، المؤلف الأول للدراسة، مستشهدًا بعمل سابق: “لا يمكننا التأكد من كيفية تأثير التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي لكثافة الخلايا العصبية على نشاط الدماغ، لكنه سيرتبط بتنوع الشبكة العالي، وهو أمر مفيد حسابيًا”. التنوع في اتصال الدماغ يعزز التواصل الفعال بالإضافة إلى ذلك، تدعم الشبكات غير المتجانسة التعلم القوي وتحسن سعة ذاكرة الدوائر العصبية.

المرجع: آيتر موراليس-جريجوريو، وألكسندر فان ميجن، وساشا جي فان ألبادا، 6 يوليو 2023، “التوزيع المنطقي الطبيعي في كل مكان لكثافة الخلايا العصبية في القشرة الدماغية للثدييات” القشرة الدماغية.
دوى: 10.1093/سيركور/bhad160