رسم خريطة العقل: نشاط دماغ دودة مشفر بالكامل

ملخص: ج. ايليجانس النشاط العصبي للدودة وربطها بسلوكيات مثل الحركة والتغذية.

باستخدام تقنيات وأساليب مبتكرة ، قاموا بإنشاء أطلس شامل يوضح كيف تقوم معظم الخلايا العصبية للدودة بتشفير وظائفها المختلفة.

تقدم الدراسة نظرة معقدة على كيفية تحكم الجهاز العصبي للحيوان في السلوك. النتائج والبيانات والنماذج التي توصل إليها الفريق متاحة على “WormWideWeb”.

مفتاح الحقائق:

1. استخدمت الدراسة مجهرًا جديدًا ونظامًا برمجيًا راقب كل سلوك الدودة ونشاط كل خلية عصبية في رأسها.
2. كشف البحث أن الخلايا العصبية تشفر السلوكيات الحالية والسابقة ، مما يسمح للدودة بفهم كيفية تأثير أفعالها السابقة على وضعها الحالي.
3. الاكتشاف اللافت للنظر هو أن 30٪ من الخلايا العصبية التي تشفر السلوك يمكنها تعديل ترميز سلوكها ، وتكييف نشاطها بناءً على الظروف المتغيرة.

مصدر: معهد بيك أوفر للتعلم والذاكرة

لفهم العلاقة الكاملة بين نشاط الدماغ وسلوكه ، يحتاج العلماء إلى طريقة لرسم خريطة لهذه العلاقة مع جميع الخلايا العصبية في جميع أنحاء الدماغ بأكمله – وهو تحد لا يمكن التغلب عليه حتى الآن.

ولكن بعد اختراع تقنيات وطرق جديدة لهذا الغرض ، أنشأ فريق من العلماء من معهد بيكوفر للتعلم والذاكرة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تعدادًا صارمًا للخلايا العصبية في دماغ شخص بسيط. ج. ايليجانس ترسم الدودة كيفية ترميز خلايا دماغها لجميع سلوكياتها الأساسية ، مثل الحركة والتغذية.

في المجلة يذهب، يقدم الفريق تسجيلات جديدة على مستوى الدماغ ونموذج رياضي يتنبأ بدقة بالطرق المتنوعة التي تمثل بها الخلايا العصبية سلوكيات الدودة.

من خلال تطبيق هذا النموذج على كل خلية على وجه التحديد ، أنشأ الفريق أطلسًا لكيفية مشاركة معظم الخلايا والدوائر التي تشارك في ترميز تصرفات الحيوان. لذلك يكشف الأطلس عن “المنطق” الأساسي لكيفية تطوير دماغ الدودة لسلوكيات معقدة ومرنة حتى مع تغير ظروفها البيئية.

قال المؤلف الكبير ستيفن فلافيل ، الأستاذ المشارك في قسم الدماغ والعلوم المعرفية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “تقدم هذه الدراسة خريطة عالمية لكيفية تنظيم الجهاز العصبي للحيوان للتحكم في السلوك”.

“يوضح هذا كيف أن العديد من العقد المحددة التي تشكل الجهاز العصبي للحيوان تشفر سمات سلوكية دقيقة ، وكيف يعتمد ذلك على عوامل مثل التجربة الحديثة للحيوان والحالة الحالية.”

طلاب الدراسات العليا Jungsoo Kim و Adam Adanas هما مؤلفان رئيسيان للدراسة. لقد قاموا بتجميع جميع بياناتهم ، ونماذجهم ونتائجهم من الأطلس ، في موقع ويب متاح مجانًا لزملائهم الباحثين. WormWideWeb.

المجاهر حتى العينات

لإجراء القياسات اللازمة لبناء نموذجهم ، اخترع مختبر فلافيل مجهرًا جديدًا ونظامًا برمجيًا يراقب تلقائيًا جميع سلوك الدودة تقريبًا (الحركة ، والتغذية ، والنوم ، ووضع البيض ، وما إلى ذلك) ونشاط كل خلية من الخلايا العصبية. . الرأس (الخلايا مصممة لتضيء عندما تتراكم أيونات الكالسيوم).

باستخدام أحدث الأدوات من التعلم الآلي ، يلزم كتابة برامج مخصصة لتمييز الخلايا العصبية الفردية وتتبعها بشكل موثوق بينما تدور الدودة وتنحني. مقارنة بالأنظمة السابقة ، أفاد العلماء أنها أثبتت أنها دقيقة بنسبة 99.7 في المائة في أخذ عينات من نشاط الخلايا العصبية الفردية من خلال نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

استخدم الفريق الكمبيوتر لتسجيل البيانات السلوكية والعصبية في وقت واحد من أكثر من 60 دودة أثناء بحثهم عن طعامهم وفعلوا ما يريدون.

كشف تحليل البيانات عن ثلاث ملاحظات جديدة حول النشاط العصبي للدودة: لا تراقب الخلايا العصبية اللحظة الحالية فحسب ، بل تراقب الماضي القريب أيضًا. يقومون بتعديل ترميز السلوكيات مثل الحركة ، بناءً على مجموعة متنوعة من العوامل المدهشة ؛ والعديد من الخلايا العصبية تشفر العديد من السلوكيات في وقت واحد.

على سبيل المثال ، في حين أن سلوك التحرك حول طبق صغير في المختبر قد يبدو وكأنه فعل بسيط للغاية ، فإن الخلايا العصبية تمثل عوامل مثل السرعة والتوجيه وما إذا كانت الدودة تأكل أم لا. في بعض الأحيان يعيدون حركة الحيوان إلى الوراء دقيقة واحدة.

من خلال ترميز الحركة الحديثة بدلاً من الحركة الحالية ، تساعد هذه الخلايا العصبية في حساب كيفية تأثير الإجراءات السابقة للدودة على نتائجها الحالية. تقوم العديد من الخلايا العصبية أيضًا بدمج المعلومات السلوكية لتنفيذ مناورات أكثر تعقيدًا.

عندما يوجه سائق بشري السيارة في الاتجاه المعاكس ، أثناء الرجوع والتحرك للأمام ، تنسق بعض الخلايا العصبية في دماغ الدودة حركة الحيوان واتجاه التوجيه.

طور العلماء هذه الأنواع من الأنماط من خلال تحليل دقيق لكيفية ارتباط النشاط العصبي بالسلوكيات. ج. ايليجانس نموذج ترميز عصبي احتمالي.

يحسب النموذج ، المدمج في معادلة واحدة ، كيف يمثل كل خلية عصبية عوامل مختلفة للتنبؤ بدقة بكيفية انعكاس النشاط العصبي للسلوك. ما يقرب من 60 في المائة من الخلايا العصبية في رأس الدودة مسؤولة عن سلوك واحد على الأقل.

في تركيب النموذج ، استخدم فريق البحث نهج النمذجة الاحتمالية التي سمحت لهم بفهم مدى تأكدهم من معلمات كل نموذج مناسب ، ابتكرها المؤلف المشارك فيكاش مانسينغا ، عالم الأبحاث الرئيسي الذي يقود برنامج الحوسبة الاحتمالية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تحضير الأطلس

في تطوير نموذج يحسب ويتنبأ كيف يمكن لأي خلية دماغية أن تعكس السلوك ، جمع الفريق في البداية بيانات من الخلايا العصبية دون تتبع الهويات المحددة للخلايا. لكن الهدف الرئيسي من دراسة الديدان هو فهم كيفية مساهمة كل خلية ودائرة في السلوك.

لذلك ، لاستغلال إمكانات النموذج لكل خلية من الخلايا العصبية الخاصة بالدودة ، والتي تم تعيينها جميعًا مسبقًا ، كانت الخطوة التالية للفريق هي ربط النشاط العصبي والسلوك بكل خلية في الخريطة.

للقيام بذلك ، نحتاج إلى تسمية كل خلية عصبية بلون فريد يرتبط نشاطها بهويتها. فعل الفريق هذا في عشرات الحيوانات التي تتحرك بحرية ، مما أعطاهم معلومات حول كيفية ارتباط جميع الخلايا العصبية المحددة في رأس الدودة بسلوك الحيوانات.

كشف الأطلس الذي نتج عن هذا العمل عن العديد من الرؤى ، ورسم خرائط كاملة للدوائر العصبية التي تتحكم في سلوك كل حيوان. وقال فلافيل إن هذه النتائج الجديدة ستمكن من فهم أكثر اكتمالاً لكيفية تنظيم هذه السلوكيات.

وقال “سمحت لنا بإكمال الجولات”. “نأمل أنه بينما يدرس زملاؤنا جوانب نشاط الدائرة العصبية ، يمكننا النظر إلى هذا الأطلس للحصول على رؤية أكثر اكتمالاً للخلايا العصبية الرئيسية المعنية.”

صُممت من أجل المرونة

النتيجة الرئيسية الأخرى لعمل الفريق هي أنه بينما تلتزم معظم الخلايا العصبية دائمًا بتنبؤات النموذج ، كان عددًا صغيرًا من الخلايا العصبية في دماغ الدودة – حوالي 30 بالمائة من سلوك التشفير – قادرًا على تعديل ترميزها السلوكي بمرونة. قبول الوظائف الجديدة بشكل أساسي.

كانت الخلايا العصبية في هذه المجموعة متشابهة بشكل موثوق عبر الحيوانات وكانت متصلة جيدًا ببعضها البعض في خريطة الأسلاك المشبكية للدودة.

من الناحية النظرية ، يمكن أن تحدث أحداث إعادة التخطيط هذه لعدد من الأسباب ، لذلك أجرى الفريق مزيدًا من التجارب لمعرفة ما إذا كان بإمكانها التسبب في إعادة تشكيل الخلايا العصبية. عندما كانت الديدان تدور حول طعامها ، استخدم الباحثون ضربة ليزر سريعة لتسخين الأجار حول رأس الدودة.

كانت الحرارة غير ضارة ولكنها كافية لإزعاج الديدان لفترة وجيزة ، مما تسبب في تغيير في الحالة السلوكية للحيوان استمرت لدقائق. من خلال هذه التسجيلات ، تمكن الفريق من رؤية العديد من الخلايا العصبية التي تعيد تشكيل ترميزها السلوكي حيث غيّرت الحيوانات الحالات السلوكية.

“يتم التعبير عن المعلومات السلوكية عبر الدماغ في مجموعة متنوعة من الأشكال – الضبطات المتميزة ، والمقاييس الزمنية ، ومستويات المرونة – التي يتم تعيينها في فئات الخلايا العصبية المحددة. ج. ايليجانس شبكة عصبية ، “كتب المؤلفون.

بالإضافة إلى أتاناس ، كيم ، مانزينجا ، وفلافيل ، المؤلفون الآخرون للورقة هم جيو وانج ، إريك بوينو ، ماكوي بيكر ، دي كونج ، جونغيون بارك ، تاليا كرامر ، فلوسي وان ، سابا باسكويلو ، أوجور داك ، إلبينيكي كالوجيروبولوس ، ماتوبولو ، كاسي إستريم ونيتا كوهين.

تمويل: تشمل مصادر تمويل البحث المعاهد الوطنية للصحة ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، ومؤسسة McKnight ، ومؤسسة Alfred P. وتشمل هذه مؤسسة سلون ، ومعهد بيكوفر للتعلم والذاكرة ، ومؤسسة JBB.

حول هذا رسم خرائط الدماغ الأخبار

مؤلف: ديفيد أورينستين
مصدر: معهد بيك أوفر للتعلم والذاكرة
اتصال: ديفيد أورينستين – معهد بيك أوفر للتعلم والذاكرة
صورة: الفيلم يعود الفضل فيه إلى Neuronews

البحث الأصلي: تظهر النتائج يذهب