أول خريطة كاملة لدماغ الذبابة لها أوجه تشابه خارقة مع الشبكات العصبية للذكاء الاصطناعي

بالنسبة لمعظم البشر ، لا تبدو يرقة ذبابة الفاكهة كثيرًا: حبة أرز شاحبة ومتعرجة على شكل يرقة ، يبلغ طولها بضعة ملليمترات فقط. ومع ذلك ، بطريقتها الخاصة ، تعيش يرقات الذباب حياة غنية وممتعة مليئة بالمدخلات الحسية والسلوكيات الاجتماعية والتعلم. إذا كنت قد شككت يومًا في حدوث الكثير داخل رأس اليرقة ، فلدينا الآن الخريطة لإثبات ذلك.

أعلن فريق متعدد التخصصات من العلماء الانتهاء من نموذج كامل لدماغ ذبابة الفاكهة اليرقية. تشتمل الخريطة ، أو الشبكة العصبية ، كما يطلق عليها في علم الأعصاب ، على كل واحد من 3016 خلية عصبية و 548000 من نقاط الاشتباك العصبي التي تعمل بين الخلايا العصبية التي تشكل الجهاز العصبي المركزي لذبابة الطفل بالكامل. يشمل العصب كلا من فصوص دماغ اليرقة ، بالإضافة إلى الحبل العصبي.

أول شبكة عصبية كاملة (في الغالب) كانت من دودة خيطية (C. ايليجانس) ، نشرت في عام 1986. لبناء تلك الخريطة الأولية ، كان على هؤلاء العلماء رسم الروابط يدويًا باستخدام أقلام ملونة. كان هناك 302 خلية عصبية و 7600 مشابك عصبية ووصلات أخرى.

منذ ذلك الحين ، تم تطوير مجموعة فرعية من علم الأعصاب مكرسة لاحتمال رسم أدمغة الكائنات الحية المتزايدة التعقيد. وقد حدثت بالفعل بعض التطورات الكبيرة. لقد حصلنا على خرائط كاملة تمامًا لأدمغة النيماتودا المتعددة. كانت الخريطة منخفضة الدقة نسبيًا لدماغ ذبابة الفاكهة البالغة ، والتي تفتقر إلى التحليل الضام المفصل نُشر في 2018.

في عام 2020 ، مجموعة متعددة المعاهد ، بما في ذلك علماء من ذراع أبحاث Google ومعهد هوارد هيوز الطبي حرم جانيليانشر شبكة عصبية جزئية لـ الدماغ المركزي لذبابة الفاكهة البالغة (25000 خلية عصبية ، 20 مليون وصلة). بعد مرور عام ، نشر فريق بحثي مرتبط بـ Janelia تحليلًا متابعًا لدماغ الذبابة البالغة الجزئي ، وبدأ في الكشف عن “لماذا وكيف” وراء “ماذا”. في أن دراسة 2021وثق العلماء المسارات الحسية والحركية والديناميكيات المعقدة الأخرى التي تساعد في تفسير كيف يمكّن دماغ الذبابة من أن تكون ذبابة.

ومع ذلك ، فهذه هي المرة الأولى التي يصور فيها العلماء ويحللون دماغ حشرة كامل بمثل هذه الدقة العالية. إنها خريطة دماغ الحشرات الأكثر اكتمالا التي تم إنشاؤها على الإطلاق والأكثر تعقيدًا من أي حيوان تم نشره على الإطلاق. باختصار: إنها لعبة تغير.

بالنسبة للبعض ، يمثل نقلة نوعية في مجال علم الأعصاب. ذبابة الفاكهة هي كائنات نموذجية ، ويُعتقد أن العديد من الهياكل والمسارات العصبية محفوظة عبر التطور. ما هو صحيح بالنسبة للديدان قد يكون صحيحًا بالنسبة للحشرات أو الفئران أو حتى البشر. قال العديد من العلماء لـ Gizmodo إن الباحثين سيشيرون إلى هذا الدماغ في دراساتهم عبر التخصصات الفرعية كثيرًا ، بالطريقة التي أشار بها علماء الأحياء إلى أول جينوم بشري معين. إنها معلومات أكثر عن الجهاز العصبي للحيوان والمسارات العصبية وبنية الدماغ أكثر من أي وقت مضى. علاوة على ذلك ، يمكن للشبكة العصبية المنشورة حديثًا أن تُعلم الأبحاث التي تتجاوز علم الأعصاب ، في مجالات مثل الذكاء الاصطناعي وعلم الأحياء التنموي.

قالت: “إنها قوة كبيرة في كيفية فهمنا للطرق التي ترتبط بها الأدمغة” تيموثي موسكاعالم أعصاب يدرس الأنظمة الحسية لذبابة الفاكهة في جامعة توماس جيفرسون ولم يشارك في البحث الجديد ، في مكالمة هاتفية مع Gizmodo.

لعقود من الزمان ، كان لدينا بعض العناصر التقريبية لخريطة دماغ الحيوان. أوضح موسكا أن العلماء يعرفون أين تتجمع الخلايا العصبية الحركية والحسية بشكل عام. لكن هذا الجهاز العصبي الجديد يشبه الانتقال من عرض القمر الصناعي الباهت إلى خريطة شوارع المدينة الواضحة. في المصفوفة المكونة من كتلة تلو الأخرى لقشرة حشرة ، “نحن نعرف الآن مكان كل 7-11 وكل هدف ، كما تعلم ، [store] هو ، “قال موسكا.

لإكمال الشبكة العصبية ، أمضت مجموعة من علماء جامعة كامبريدج 12 عامًا في التركيز على دماغ أنثى يرقة ذبابة الفاكهة عمرها 6 ساعات. العضو ، الذي يبلغ حجمه حوالي 170 × 160 × 70 ميكرومترًا ، صغير حقًا—في حدود المقدار من الأشياء الصغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. ومع ذلك ، تمكن الباحثون من استخدام المجهر الإلكتروني لتقطيعه بصريًا إلى آلاف الشرائح ، بسمك نانومتر فقط. يستغرق تصوير خلية من الخلايا العصبية يومًا واحدًا في المتوسط. من هناك ، بمجرد اكتمال الخريطة المادية للخلايا العصبية ، أو “حجم الدماغ” ، بدأ التحليل.

جنبا إلى جنب مع علماء الكمبيوتر في جامعة جونز هوبكنز ، قام علماء الأعصاب في كامبريدج بتقييم وتصنيف الخلايا العصبية والمشابك التي عثروا عليها. قام الباحثون في JHU بضبط برنامج كمبيوتر لهذا التطبيق الدقيق من أجل تحديد أنواع الخلايا والمشابك ، والأنماط داخل اتصالات الدماغ ، ورسم بعض الوظائف على الشبكة الوراثية لليرقات – بناءً على دراسات علم الأعصاب السابقة للسلوك والأنظمة الحسية.

وجدوا العديد من المفاجآت. على سبيل المثال ، أظهرت الشبكة العصبية لذبابة اليرقات العديد من المسارات العصبية التي تتعرج بين نصفي الكرة الأرضية ، مما يدل على مدى تكامل جانبي الدماغ وكيف يمكن أن تكون معالجة الإشارات دقيقة. مايكل ويندينج، أحد الباحثين الرئيسيين في الدراسة وعالم الأعصاب بجامعة كامبريدج ، في مكالمة فيديو. قال ويندينغ: “لم أعتقد أبدًا أن أي شيء سيبدو هكذا”.

في بعض المناطق ، كانت المشابك أيضًا شديدة التكرار ، ومتكررة ، ومعززة – بشكل خاص و “جميل” في مناطق الدماغ التي يعتقد أنها تدفع التعلم ، أوضح. مارتا زلاتيكعالم أعصاب آخر من جامعة كامبريدج وأحد كبار الباحثين في الدراسة ، في مكالمة فيديو.

بشكل مثير للدهشة ، يبدو أن هذه الهياكل المتكررة التي تم تعيينها من دماغ حقيقي تتطابق بشكل وثيق مع بنية بعض نماذج الذكاء الاصطناعي (تسمى الشبكات العصبية المتبقية) ، مع مسارات متداخلة تسمح بمستويات مختلفة من التعقيد ، لاحظ زلاتيك. ردد لف هذا الوصف ، واصفًا تصميم مركز تعلم اليرقة بأنه “دمية روسية للاتصال”.

لم يتم الكشف عن البنية العصبية ذات الطبقات فحسب ، بل يبدو أن الخلايا العصبية نفسها متعددة الأوجه. وأوضح زلاتيك أن الخلايا الحسية متصلة عبر الطرائق – المدخلات البصرية والرائحة والمدخلات الأخرى متقاطعة وتتفاعل في طريقها إلى الخلايا المخرجة. وأضافت: “هذا الدماغ يقوم بقدر كبير من التكامل متعدد الحواس … وهو أمر حسابي قوي للغاية”.

ثم كانت هناك الأنواع والكميات النسبية للاتصالات من خلية إلى خلية. في علم الأعصاب ، النوع الكلاسيكي “الكنسي” من المشابك يمتد من محور عصبي إلى التغصنات. ومع ذلك ، داخل دماغ ذبابة اليرقات المعينة ، كان هذا يمثل حوالي ثلثي الروابط فقط ، كما قال ويندينج وزلاتيك. المحاور المرتبطة بالمحاور ، والتشعبات إلى التشعبات ، والتشعبات إلى المحاور. لقد عرف العلماء أن هذه الأنواع من الروابط موجودة في أدمغة الحيوانات وهي مهمة للعلماء ، لكن النطاق تجاوز كثيرًا ما كانوا يتوقعونه. وأشار ويندينغ إلى أنه “نظرًا لاتساع نطاق هذه الروابط ، يجب أن تكون مهمة لحوسبة الدماغ”. نحن فقط لا نعرف بالضبط كيف.

على الرغم من أن هذا التقدم مثير بالنسبة لعلماء الأعصاب (قال موسكا “إنني متحمس جدًا للقيام بالعلوم في الوقت الحالي”) ، لا يمكن للشبكات العصبية أن تخبرنا بكل شيء. وأوضح موسكا أن هذه “لقطة من لحظة واحدة في وقت واحد في حيوان واحد”. إنه يملأ فجوة بحثية هائلة – لفهم تطور الدماغ بين مراحل الذبابة اليرقية والبالغ وبنية دماغ الحيوان بشكل عام ، لكنه محدود.

إن وجود صورة واحدة واضحة للخلايا العصبية والمشابك للذبابة لا تخبرنا بما تفعله جميعًا ، أو كيف تتغير العقول بمرور الوقت ، أو كيف تختلف العقول بين الأفراد. ليس لدينا بيانات حتى الآن لمقارنة أدمغة ذكور وإناث ذبابة ، على سبيل المثال. ولا لتتبع التحولات العصبية مع نضوج الذبابة. قال موسكا إن وضع جميع الشبكات العصبية الحالية في ترتيب إنمائي سيكون أقرب إلى النظر إلى “دفتر صور به صفحات قليلة مفقودة”.

على الرغم من المقارنات المتكررة مع أول خريطة جينوم بشري كاملة استمر في الحديث ، الحمض النووي عبارة عن مجموعة بيانات ثابتة نسبيًا ، يتم تحديدها بالخلية الأولى في تطور الكائن الحي ، كما قال جوش فوجلشتاين، عالم شبكة JHU وأحد مؤلفي الدراسة ، في مكالمة فيديو. في المقابل ، “تتغير شبكتك العصبية في كل لحظة” ، كما قال. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التعريفات المستخدمة في تحليل فوغلشتاين وزملائه (أي الطريقة التي رسموا بها الخريطة) هي تعريفات ذاتية. لقد عرّفوا الخلايا العصبية على أنها عقد ومشابك على أنها حواف – قد يعكس البعض الآخر ذلك أو يعلن مناطق الدماغ بأكملها كعقد ، كما أوضح. “لا توجد إجابة موحدة لماهية الشبكة العصبية ، ومهما كانت ، فإنها تتغير.”

لتحليل كل تلك الأشياء المجهولة المتبقية ، فإن المزيد من البحث هو المفتاح. جعلت التطورات التصويرية على مدى السنوات القليلة الماضية من الممكن جمع بيانات حجم الدماغ بسرعة أكبر بكثير مما كانت عليه عندما بدأت هذه الدراسة الجديدة منذ أكثر من عقد. بالإضافة إلى ذلك ، مع برنامج الكمبيوتر الذي طوره Vogelstein ومرشح الدكتوراه له ، بنيامين بيديجويمكن للتحليلات المستقبلية أن تتقدم بشكل أسرع بكثير – في غضون أشهر لتصحيح البيانات وساعات معالجتها ، على عكس السنوات ، كما قال Pedigo و Vogelstein لـ Gizmodo.

ينوي Zlatic استخدام هذه الشبكة العصبية اليرقية المنفردة كنقطة انطلاق لجمع المزيد ، ثم إجراء مقارنات للكشف عن الروابط الوظيفية (على سبيل المثال ، كيف تبدو أدمغة المتذبذب الأسرع مختلفة؟). يبدأ Winding مجموعته المختبرية الخاصة حيث سيبدأ العمل على تحديد الدوائر في أدمغة ذبابة الفاكهة المتعلقة بالسلوك الاجتماعي. من هناك ، يريد البدء في معالجة تلك الدوائر تجريبيًا ومعرفة ما سيحدث.

يعمل آخرون على رسم خريطة لأدمغة الكائنات الحية الأكبر. يجري الاتصال الكامل بين ذبابة الفاكهة البالغة في جانيليا. لدى البعض تطلعات للانتقال إلى أدمغة حيوانات كبيرة ومعقدة مثل أدمغة الفئران ، على الرغم من أن هذا العمل لا يزال محتملًا بعد سنوات وسنوات من الانتهاء.

بالنسبة لفوغلشتاين ، يشير هذا إلى خطوة نحو القدرة على فهم الوعي حقًا (وحتى ترميزه). لم نصل إلى هناك بعد ، لكن هذه الشبكة العصبية اليرقية تقدم إمكانية مستقبلية لعكس هندسة دماغ حيوان معقد في شكل برنامج كمبيوتر. قال: “كل شخص في العالم ، على حد علمي ، يعترف أو يوافق على أنك بحاجة إلى عقول للوعي”. إن خريطة الدماغ وحدها “لا تكفي” لكشف سرّ الضمير الكامل. لكي نكون واضحين ، “لا توجد طريقة يمكننا من خلالها محاكاة دماغ واعٍ فقط من خلال امتلاك هذه الشبكة العصبية” ، كما أكد. لكنها “مكون أساسي وضروري”.

من وجهة نظر موسكا – على الرغم من أنه ليس باحثًا في شبكة عصبية – فهو مستعد لاستخدام أبحاث اليرقات الجديدة في عمله الخاص. وقال: “هذا سيمنحنا حقًا الكثير من الطعام المتميز لنتمكن من طرح أسئلة بحثية أكثر تعقيدًا”. عبر علم الأعصاب وعلم الأحياء ، “إن مجرد العمل الذي سيُلهمك ، وأن هذا سيُعلم لا حدود له تقريبًا”.

هل تريد معرفة المزيد عن الذكاء الاصطناعي وروبوتات المحادثة ومستقبل التعلم الآلي؟ تحقق من تغطيتنا الكاملة لـ الذكاء الاصطناعيأو تصفح أدلةنا إلى أفضل مولدات فنية مجانية لمنظمة العفو الدولية و كل ما نعرفه عن ChatGPT الخاص بـ OpenAI.