تتبع الكثافات العصبية في المناطق القشرية من دماغ الثدييات نمط توزيع ثابت. هذا الاكتشاف له آثار عميقة على نمذجة الدماغ وتطوير التقنيات المستوحاة من الدماغ. الائتمان: موراليس جريجوريو
اكتشف باحثون من مشروع الدماغ البشري في Forschungszentrum Jülich وجامعة كولونيا (ألمانيا) كيفية توزيع كثافات الخلايا العصبية عبر وداخل المناطق القشرية في دماغ الثدييات. لقد كشفوا عن مبدأ تنظيمي أساسي للهندسة الخلوية القشرية: التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي في كل مكان للكثافات العصبية.
يلعب عدد الخلايا العصبية وترتيبها المكاني دورًا حاسمًا في تشكيل بنية الدماغ ووظيفته. ومع ذلك، على الرغم من ثروة البيانات المعمارية الخلوية المتاحة، فإن التوزيعات الإحصائية للكثافات العصبية لا تزال مجهولة إلى حد كبير. الدراسة الجديدة لمشروع الدماغ البشري (HBP)، المنشورة في المجلة القشرة الدماغيةيعزز فهمنا لتنظيم الدماغ في الثدييات.
تحليل مجموعات البيانات والتوزيع اللوغاريتمي الطبيعي
تسعة من أصل سبع مجموعات بيانات متاحة للجمهور صِنف (الفأر، قرد القشة، المكاك، الجلاجو، قرد البومة، البابون والإنسان) شكلت أساس تحقيقات فريق البحث. وبعد تحليل المناطق القشرية لكل منها، وجدوا أن الكثافات العصبية داخل تلك المناطق تتبع نمطًا ثابتًا – التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي. وهذا يشير إلى مبدأ تنظيمي أساسي يقوم عليه الكثافات العصبية في دماغ الثدييات.
التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي هو توزيع إحصائي يتميز بمنحنى غير متماثل على شكل جرس. يحدث هذا، على سبيل المثال، عند أخذ الأس لمتغير موزع بشكل طبيعي. وهو يختلف عن التوزيع الطبيعي بعدة طرق. والأهم من ذلك، أن منحنى التوزيع الطبيعي متماثل، بينما المنحنى اللوغاريتمي الطبيعي غير متماثل وذو ذيل ثقيل.
الآثار المترتبة وأهمية النتائج
هذه المعلومات ضرورية لنمذجة الدماغ الدقيقة. يوضح ساشا فان ألبادا، رئيس مجموعة التشريح العصبي النظري في Forschungszentrum Jülich والمؤلف الرئيسي للدراسة: “خاصة أن توزيع كثافات الخلايا العصبية يؤثر على اتصال الشبكة”. “على سبيل المثال، إذا كانت كثافة المشابك العصبية ثابتة، فإن المناطق ذات الكثافة العصبية المنخفضة ستستقبل المزيد من المشابك العصبية لكل خلية عصبية”، كما توضح. هذه الجوانب ذات صلة أيضًا بتصميم التقنيات المستوحاة من الدماغ، مثل الأجهزة العصبية.
يضيف فان ألبادا: “علاوة على ذلك، بما أن المناطق القشرية غالبًا ما يتم تمييزها على أساس البنية الخلوية، فإن معرفة توزيع الكثافات العصبية قد يكون ذا صلة بالتقييم الإحصائي للاختلافات بين المناطق وموقع الحدود بين المناطق”.
فهم التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي لخصائص الدماغ
تتفق النتائج مع الملاحظات السابقة التي مفادها أن العديد من ميزات الدماغ تتبع توزيعًا منطقيًا طبيعيًا. يقول ألكسندر فان ميجن، المؤلف الأول المشارك للدراسة: “أحد الأسباب التي تجعل هذا الأمر شائعًا جدًا في الطبيعة هو أنه ينشأ عن طريق أخذ منتج العديد من المتغيرات المستقلة”. بمعنى آخر، ينشأ التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي بشكل طبيعي نتيجة لعمليات الضرب، على غرار كيفية نشوء التوزيع الطبيعي عند إضافة العديد من المتغيرات المستقلة معًا.
يقول فان ميجن: “باستخدام نموذج بسيط، تمكنا من إظهار كيف يمكن أن يؤدي التكاثر المتضاعف للخلايا 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 تطورية أو تطورية لا تخدم أي وظيفة حسابية؛ لكن حقيقة إمكانية ملاحظة نفس الهياكل التنظيمية للعديد من الأنواع وفي معظم المناطق القشرية، تشير إلى أن التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي يخدم غرضًا ما.
يقول أيتور موراليس جريجوريو، المؤلف الأول للدراسة، مستشهدًا بعمل سابق: “لا يمكننا التأكد من كيفية تأثير التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي لكثافات الخلايا العصبية على وظائف المخ، ولكن من المحتمل أن يرتبط ذلك بعدم تجانس الشبكة العالي، وهو ما قد يكون مفيدًا حسابيًا”. . مما يشير إلى أن عدم التجانس في اتصال الدماغ قد يعزز النقل الفعال للمعلومات. علاوة على ذلك، تعمل الشبكات غير المتجانسة على تعزيز التعلم القوي وتحسين قدرة ذاكرة الدوائر العصبية.
المرجع: “التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي المنتشر للكثافات العصبية في القشرة الدماغية للثدييات” بقلم آيتور موراليس-جريجوريو وألكسندر فان ميجن وساشا جي فان ألبادا، 6 يوليو 2023، القشرة الدماغية.
دوى: 10.1093/سيركور/bhad160
