شبكة عصبية مستزرعة

لطالما شكّل استخدام الشبكات العصبية المستزرعة كنموذج لنظيراتها الحية مورداً لا غنى عنه لعقود. ^{[ 4 ]} فهو يتيح للباحثين دراسة النشاط العصبي في بيئة أكثر تحكماً بكثير مما هو ممكن في الكائن الحي. ومن خلال هذه الآلية، استخلص الباحثون معلومات مهمة حول آليات التعلم والذاكرة.

تتيح الشبكة العصبية المستزرعة للباحثين مراقبة النشاط العصبي من زوايا متعددة. ويمكن إجراء التسجيلات والتحفيزات الفيزيولوجية الكهربائية إما عبر الشبكة أو محليًا باستخدام مصفوفة الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEA)، كما يمكن مراقبة تطور الشبكة بصريًا باستخدام تقنيات المجهر. ^{[ 4 ]} علاوة على ذلك، يُعد التحليل الكيميائي للخلايا العصبية وبيئتها أسهل من إجرائه في بيئة حية . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

الشبكات العصبية المستزرعة، بحكم تعريفها، عبارة عن مزارع منفصلة للخلايا العصبية . وبالتالي، وبوجودها خارج بيئتها الطبيعية، تتأثر الخلايا العصبية بطرق غير طبيعية بيولوجيًا. ومن أبرز هذه التشوهات أن الخلايا العصبية تُستخلص عادةً كخلايا جذعية عصبية من الجنين، مما يؤدي إلى تعطيلها في مرحلة حرجة من نمو الشبكة. ^{[ 6 ]} فعندما تُعلق الخلايا العصبية في محلول ثم تُوزع، تُدمر الروابط التي كانت موجودة سابقًا وتتشكل روابط جديدة. وفي النهاية، تتغير بنية الاتصال (وبالتالي وظائف) النسيج عما كان عليه في النموذج الأصلي.

من عيوب هذه الطريقة أيضاً أن الخلايا العصبية المستزرعة تفتقر إلى جسم، وبالتالي فهي معزولة عن المدخلات الحسية، فضلاً عن قدرتها على التعبير عن السلوك، وهي سمة أساسية في تجارب التعلم والذاكرة. ويُعتقد أن هذا الحرمان الحسي له آثار سلبية على نمو هذه الخلايا، وقد يؤدي إلى أنماط سلوكية غير طبيعية في جميع أنحاء الشبكة العصبية. ^{[ 6 ]}

تُعدّ الشبكات المُستزرعة على المصفوفات متعددة الأقطاب التقليدية عبارة عن صفائح مسطحة أحادية الطبقة من الخلايا ذات اتصال ثنائي الأبعاد فقط. على النقيض من ذلك، فإن معظم الأنظمة العصبية الحية عبارة عن هياكل ثلاثية الأبعاد كبيرة ذات ترابط أكبر بكثير. يبقى هذا أحد أبرز الاختلافات بين النموذج والواقع، وربما يلعب هذا الأمر دورًا كبيرًا في تحريف بعض الاستنتاجات المستخلصة من التجارب القائمة على هذا النموذج.

نظراً لتوافرها الواسع، تُزرع الشبكات العصبية عادةً من خلايا عصبية منفصلة من الفئران. وتستخدم الدراسات عادةً خلايا عصبية من قشرة الدماغ ، والحصين ، والحبل الشوكي للفئران ، مع العلم أنه تم استخدام خلايا عصبية من فئران المختبر أيضاً. حالياً، لا تزال الأبحاث قليلة نسبياً حول زراعة الشبكات العصبية من الرئيسيات أو غيرها من الحيوانات. ويتطلب استخلاص الخلايا الجذعية العصبية التضحية بالجنين النامي، وهي عملية تُعتبر مكلفة للغاية بالنسبة للعديد من الثدييات التي تُعدّ قيّمة في دراسات أخرى.

مع ذلك، استخدمت إحدى الدراسات خلايا جذعية عصبية بشرية نمت في شبكة للتحكم في محرك روبوتي. وقد تم الحصول على هذه الخلايا من جنين أجهض تلقائيًا بعد عشرة أسابيع من الحمل. ^{[ 7 ]}

من أبرز المشكلات المرتبطة بشبكات الخلايا العصبية المستزرعة قصر عمرها. فمثل معظم مزارع الخلايا، تُعدّ مزارع الخلايا العصبية عرضةً للعدوى ، كما أنها عُرضة لارتفاع الأسمولية الناتج عن تبخر الوسط . ^{[ 4 ]} ونظرًا لطول المدة الزمنية اللازمة لدراسة اللدونة العصبية (والتي تستغرق عادةً شهورًا)، فإن إطالة عمر الخلايا العصبية في المختبر أمرٌ بالغ الأهمية.

يتمثل أحد حلول هذه المشكلة في زراعة الخلايا على غشاء متعدد الأقطاب (MEA) داخل حجرة محكمة الإغلاق. تعمل هذه الحجرة كحاضنة غير رطبة، محاطة بغشاء من فلورو إيثيلين بروبيلين (FEP) يسمح بمرور غازات محددة (مثل الغازات الضرورية لعمليات الأيض) ولكنه غير منفذ للماء والكائنات الدقيقة. ^{[ 4 ]} وتشمل الحلول الأخرى استخدام حاضنة ذات غشاء غير منفذ، تحتوي على مزيج محدد من الغازات (الهواء مع 5% ثاني أكسيد الكربون _هو مثال نموذجي) محكمة الإغلاق. ^{[ 4 ]}

مصفوفة الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEA)، والتي تُعرف أيضاً باسم مصفوفة الأقطاب الكهربائية المتعددة، هي عبارة عن مصفوفة مُنمّطة من الأقطاب الكهربائية موضوعة على ركيزة شفافة، وتُستخدم للتواصل مع الخلايا العصبية المتصلة بها. ويمكن أن يكون هذا التواصل ثنائي الاتجاه، وهو كذلك في الغالب؛ إذ يستطيع الباحثون تسجيل البيانات الفيزيولوجية الكهربائية من شبكة عصبية حية، بالإضافة إلى تحفيزها.

يُعدّ هذا الجهاز مستشعرًا حيويًا أساسيًا منذ أكثر من ثلاثين عامًا. وقد استُخدم ليس فقط في دراسة اللدونة العصبية ومعالجة المعلومات، بل أيضًا في دراسة تأثيرات الأدوية والسموم على الخلايا العصبية. إضافةً إلى ذلك، يُقلّل هذا الجهاز، عند اقترانه بحاضنة محكمة الإغلاق، من خطر تلوث المزارع الخلوية بشكل كبير ، إذ يُغني تقريبًا عن تعريضها للهواء. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 8 ]}

تتميز المصفوفات متعددة الأقطاب الكهربائية (MEAs) الشائعة الاستخدام حاليًا بدقة مكانية منخفضة نسبيًا. فهي تستخدم حوالي ستين قطبًا كهربائيًا للتسجيل والتحفيز بأنماط مختلفة في طبق يحتوي على مزرعة نموذجية تضم 50,000 خلية أو أكثر (أو بكثافة 5,000 خلية/مم² ⁾ . ^{[ 9 ]} ونتيجة لذلك، يخدم كل قطب كهربائي في المصفوفة مجموعة كبيرة من الخلايا العصبية، ولا يمكنه توفير معلومات دقيقة حول مصدر الإشارة ووجهتها؛ إذ تقتصر قدرة هذه المصفوفات على جمع البيانات والتحفيز في مناطق محددة.

من الناحية المثالية، يُمكن تسجيل وتحفيز خلية عصبية واحدة أو بضع خلايا في كل مرة. في الواقع، تعمل شركات مثل أكسيون بيوسيستمز على توفير مصفوفات متعددة الأقطاب (MEAs) بدقة مكانية أعلى بكثير لتحقيق هذا الهدف (بحد أقصى 768 قطبًا كهربائيًا للإدخال/الإخراج). ^{[ 10 ]} وتبحث دراسة أخرى في إنشاء اتصال مستقر بين الخلايا العصبية والأقطاب الكهربائية. كان الهدف هو الوصول إلى حالة التفاعل المثالية من خلال إنشاء اتصال مع كل خلية عصبية في الشبكة. ويتم ذلك عن طريق حصر الخلايا العصبية بشكل فردي مع السماح للمحاور العصبية والتغصنات بالامتداد وتكوين روابط. تُحصر الخلايا العصبية داخل أقفاص عصبية أو أنواع أخرى من الحاويات، ويمكن الإشارة إلى الجهاز نفسه باسم مصفوفة الخلايا العصبية المحصورة أو الشريحة العصبية . ^{[ 8 ]}

تشير أبحاث أخرى إلى تقنيات بديلة لتحفيز الخلايا العصبية في المختبر . إحدى هذه الدراسات تبحث في استخدام شعاع ليزر لتحرير مركبات محصورة مثل النواقل العصبية والمعدلات العصبية . ^{[ 5 ]} يتميز شعاع الليزر ذو الطول الموجي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية بدقة مكانية عالية للغاية، ومن خلال تحرير المركبات المحصورة، يمكن استخدامه للتأثير على مجموعة مختارة من الخلايا العصبية.

تُعدّ النوبات الشبكية العفوية سمة شائعة في الشبكات العصبية، سواء في المختبر أو في الكائنات الحية . ^{[ 11 ]} في المختبر ، يكتسب هذا النشاط أهمية خاصة في دراسات التعلم والمرونة العصبية. تُركز هذه التجارب بشكل مكثف على النشاط الشبكي الشامل قبل التجارب وبعدها، وذلك للكشف عن أي تغييرات قد تُشير إلى المرونة العصبية أو حتى التعلم. ^{[ 9 ]} مع ذلك، يُعقّد هذه التقنية التجريبية حقيقة أن النمو العصبي الطبيعي يُحدث تغييرًا في النوبات على مستوى الشبكة، مما قد يُؤدي بسهولة إلى تحريف البيانات. أما في الكائنات الحية ، فقد أشارت بعض الدراسات إلى أن هذه النوبات الشبكية قد تُشكل أساسًا للذاكرة. ^{[ 9 ] [ 11 ]}

بحسب المنظور التجريبي، يمكن النظر إلى النبضات العصبية على مستوى الشبكة إما بشكل إيجابي أو سلبي. فمن الناحية المرضية، يُعزى النشاط الشبكي التلقائي إلى انفصال الخلايا العصبية عن أجسادها؛ إذ لاحظت إحدى الدراسات فرقًا ملحوظًا في تردد إطلاق النار على مستوى الشبكة في المزارع التي تلقت مدخلات مستمرة مقارنةً بتلك التي لم تتلقها. ^{[ 12 ]} وللقضاء على النشاط الشاذ، يستخدم الباحثون عادةً المغنيسيوم أو حاصرات المشابك العصبية لتهدئة الشبكة. إلا أن هذا النهج مكلف للغاية؛ فالشبكات المهدأة لديها قدرة ضئيلة على التكيف ^{[ 11 ]} نظرًا لانخفاض قدرتها على توليد كمونات الفعل . وثمة نهج مختلف، وربما أكثر فعالية، يتمثل في استخدام التحفيز منخفض التردد الذي يحاكي النشاط الحسي الأساسي. ^{[ 13 ]}

من منظور آخر، يمكن اعتبار موجات النشاط الشبكي حميدة، بل ومفيدة. تُظهر أي شبكة معينة موجات نشاط منظمة وغير عشوائية. ^{[ 11 ]} وقد أشارت بعض الدراسات إلى أن هذه الموجات تمثل ناقلات للمعلومات، وتعبيرًا عن الذاكرة، ووسيلة للشبكة لتكوين روابط مناسبة، وتعلمًا عند تغير نمطها. ^{[ 9 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

يدور جدل واسع في مجال علم الأعصاب حول قدرة الشبكة العصبية المستزرعة على التعلم. وتكمن خطوة حاسمة في إيجاد إجابة لهذا الإشكال في تحديد الفرق بين التعلم والمرونة العصبية . يُعرّف أحد التعريفات التعلم بأنه "اكتساب سلوك جديد من خلال التجربة". ^{[ 15 ]} ويترتب على هذا التعريف ضرورة التفاعل مع البيئة المحيطة، وهو أمر تعجز عنه الخلايا العصبية المستزرعة عمليًا دون أنظمة حسية. أما المرونة العصبية، فهي ببساطة إعادة تشكيل شبكة موجودة عن طريق تغيير الروابط بين الخلايا العصبية: تكوين المشابك العصبية وإزالتها، أو امتداد المحاور العصبية والزوائد الشجرية وانكماشها . ^{[ 1 ]} لكن هذين التعريفين ليسا متنافيين؛ فلكي يحدث التعلم، لا بد من حدوث المرونة العصبية أيضًا.

سعياً لتأسيس التعلم في شبكة مُدربة، حاول الباحثون إعادة تجسيد الشبكات العصبية المنفصلة في بيئات مُحاكاة أو حقيقية (انظر MEART و animat ). تُمكّن هذه الطريقة الشبكات من التفاعل مع بيئتها، وبالتالي تُتيح لها فرصة التعلم في بيئة أكثر واقعية. كما حاولت دراسات أخرى غرس أنماط الإشارات في الشبكات عبر التحفيز الاصطناعي. ^{[ 14 ]} يُمكن تحقيق ذلك عن طريق إحداث دفعات شبكية ^{[ 11 ]} أو عن طريق إدخال أنماط مُحددة إلى الخلايا العصبية، والتي يُتوقع أن تستمد منها الشبكة معنىً ما (كما في التجارب مع animats، حيث تُشير إشارة عشوائية إلى الشبكة إلى أن الحيوان المُحاكى قد اصطدم بجدار أو يتحرك في اتجاه مُعين، إلخ). ^{[ 3 ] [ 7 ]} تُحاول التقنية الأخيرة الاستفادة من القدرة الكامنة للشبكات العصبية على فهم الأنماط. مع ذلك، لم تُحقق التجارب نجاحاً كبيراً في التوصل إلى تعريف مُتفق عليه للتعلم. ومع ذلك، فإن اللدونة في الشبكات العصبية هي ظاهرة راسخة في مجتمع علم الأعصاب، ويُعتقد أنها تلعب دورًا كبيرًا جدًا في التعلم. ^{[ 1 ]}