وجهات النظر بشأن العلوم العصبية

وكما هو معتاد، فإن المسبب الرئيسي للتقدم في العلوم الطبيعية هو التطورات المنهجية. وبالطبع، تتبع ذلك تطورات مفاهيمية وتسير بالتوازي معها، ولكنني أعتقد أن التوسع الهائل في مجال العلوم العصبية كان نتيجة لعدد من الطفرات المنهجية على أدنى المستويات. وتمثلت هذه الطفرات في التقدم المحرز في مجال البيولوجيا الجزيئية والهندسة الوراثية، والتي وفرت أنظمة نموذجية لدراسة التطور ودراسة أمراض معينة.

وفرت هذه التقنيات أيضاً أدوات قيمة للغاية للتحديد البيوكيميائي والجزيئي للعصبونات. وقد علمنا بوجود درجة من التنوع في عصبونات تبدو متطابقة شكلياً ولكنها مزودة بآليات جزيئية مختلفة. ويعود الفضل في كل ذلك إلى تطور البيولوجيا الجزيئية.

أعتقد أن العامل الثاني المهم كان تطوير تقنيات التصوير غير الجراحية، حيث أتاح لنا ذلك نقل عدد كبير من المفاهيم التي تم تطويرها في التجارب على الحيوانات إلى الاستقصاءات على البشر. ونذكر من ذلك التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والتصوير المقطعي بإصدار البوزيترونات.

كما أدى إدخال تقنية التصوير المقطعي المغناطيسي للدماغ (magneto ence holography)، والتي سمحت بدقة مكانية أفضل بكثير لتحليل النشاط الكهربائي في الدماغ، إلى توسع كبير في هذا المجال. ثم أعتقد أن هناك عاملاً غير هامشي وهو التوفر، أو التوفر المتزايد لقدرات حوسبة هائلة؛ لأنه عندما بدأت البيولوجيا العصبية في تطبيق تقنيات التسجيل متعدد المواقع، والتي أعتبرها أساسية لتحليل خصائص الشبكة العصبية، أصبحت البيانات معقدة بشكل متزايد، وأصبح من المستحيل تقريبًا تقييم البيانات بمجرد النظر إليها كما كان الحال في العصور الكلاسيكية عندما بدأتُ في هذا المجال، حيث لم تكن هناك أجهزة كمبيوتر. كان علينا إجراء تحليل الارتباط المتقاطع عن طريق قص شرائح ورقية طويلة وتحريكها على الأرض.

لذا فقد تطورت إمكانات القوة الحسابية المتاحة بشكل كبير، على الأقل في مجال فسيولوجيا الأنظمة. وأعتقد أن ذلك كان له تأثير رئيسي على هذه التطورات. وأخيرًا، أتاحت لنا هذه المرافق الحاسوبية أيضًا معالجة خصائص الشبكات العصبية على مستوى نظري.

إن الديناميكيات التي تظهرها الشبكات العصبية معقدة للغاية لدرجة أن الدراسات النموذجية والمقاربات النظرية هي وحدها التي تضعنا في وضع يسمح لنا بصياغة فرضيات مدروسة. كما لا يمكننا المضي قدماً في البحث عن الشفرات العصبية دون هذه الأدوات البحثية. لذا أعتقد أن هذه التطورات المنهجية مجتمعة كانت مسؤولة عن التوسع الكبير في العلوم العصبية، والذي أرى أنه غير مسبوق في أي تخصص علمي آخر.

فيما يتعلق بأبحاثي الخاصة، ينقسم مساري المهني إلى جزأين؛ حيث ركزت في البداية على دراسة العمليات التنموية في الدماغ، وكان اهتمامي منصباً بشكل خاص على العمليات التنموية التي تتشكل بفعل الخبرات المكتسبة بعد الولادة.

وكان المنطق الكامن وراء هذا النهج هو شعوري بأن تنظيم الدماغ الناضج معقد للغاية لدرجة أنه من الأفضل لنا دراسة المبادئ النمائية ومحاولة فهمها، ثم محاولة استنباط ما ستؤدي إليه هذه العمليات النمائية في نهاية المطاف. ولكن حدث اكتشاف عرضي في هذا المختبر ذاته الذي نجلس فيه غير مجرى حياتي، حيث اكتشفت عن غير قصد أن الخلايا العصبية في القشرة البصرية الأولية لصغار القطط التي كانت مستيقظة، وجالسة فعلياً على الطاولة خلفي تراقب شبكة خطوط منزلقة، قد انجذبت إلى نشاط تذبذبي متزامن للغاية، لم أستطع عزوه لا إلى تدهور المنبه ولا إلى مفتاح التشغيل الرئيسي في ألمانيا الذي يعمل بتردد 50 cycles، لأن التذبذب كان في نطاق 40 hertz. وهكذا، رأيت لأول مرة أن الخلايا العصبية الموزعة مكانياً يمكنها تنسيق نشاطها بدقة عالية جداً في نطاق الميلي ثانية عبر مسافات كبيرة نسبياً.

وقد أدى ذلك إلى ظهور فكرة مفادها أن الوقت قد يُستخدم كمساحة ترميز لتنسيق الاستجابات العصبونية الموزعة. ووجدت هذا الخيار مثيرًا للاهتمام لدرجة أنني قررت إهمال مجال بيولوجيا الأعصاب النمائية المحبب جدًا، وتوجيه معظم جهودنا نحو المزيد من التحليل لهذه الظاهرة. وكان ذلك منذ ما يقرب من 15 عامًا أو أكثر.

ومنذ ذلك الحين، قضينا معظم وقتنا في إجراء تسجيلات متعددة المواقع والبحث عن أنماط زمانية ومكانية في الشبكات العصبية الموزعة؛ لإيماننا الراسخ بأن المعلومات لا تُشفر فقط في معدل تفريغ العصبونات كما هو مفترض ومؤكد كلاسيكياً، بل إن هناك معلومات إضافية تُشفر في العلاقات الزمانية الدقيقة بين التفريغات الفردية للعصبونات، حيث تكون ارتباطات طور صفرية. لذا، فإن التطابق الدقيق ربما لا يمثل سوى قمة جبل الجليد، ولكنها قمة مهمة لأن النشاط المتزامن يثير الاهتمام بشكل خاص في الشبكات العصبية نظراً لسهولة انتشاره، حيث تُعد الاستجابات المتزامنة وسيلة لتعزيز بروز الاستجابات العصبية بدقة زمانية عالية.

يمكن القيام بذلك على أساس كل نبضة عصبية على حدة. وكانت الفرضية الأولية هي أن هذا التزامن يُستخدم في المراحل الطرفية من المعالجة الحسية من أجل إنشاء علاقات بين الميزات التي تعالجها عصبونات موزعة مكانياً. ومنذ ذلك الحين، انخرطت العديد من المختبرات الأخرى في البحث عن ظواهر التزامن.

أعتقد أن الأمر بدأ في أوروبا مع زملاء مثل RI الذين طبقوا تقنيات EEG لتقييم النشاط التذبذبي المتزامن في الدماغ وربط هذه الأنشطة بالوظائف المعرفية. ومنذ ذلك الحين، تمت مناقشة دور التذبذبات والتزامن بطريقة مثيرة للجدل للغاية. وأعتقد أن الشكوك الأولية حول احتمالية وجود هذه الظاهرة قد تم دحضها جميعًا الآن، ونحن الآن منخرطون جميعًا في البحث عن العواقب الوظيفية.

وهناك مجموعة كبيرة من الفرضيات حول ما قد يعنيه ذلك. هل يعكس تراكم هذا الكم الهائل من البيانات الذي نواجهه في الوقت الحاضر، والذي نجد صعوبة بالغة في التعامل معه، تقدماً حقيقياً؟ إنه يعكس التقدم بكل تأكيد، لأننا أصبحنا نعرف المزيد والمزيد من الحقائق والتفاصيل حول تنظيم العصبونات، والشبكات العصبونية، والدماغ ككل.

وهذا نتيجة ضرورية للمناهج التحليلية الكلاسيكية المطبقة في العلوم الطبيعية؛ حيث يتم عزل نظام فرعي ثم وصفه بتفصيل متزايد. ولكن هذا لا يمثل سوى نصف واحد من المسعى العلمي.

ما نحتاجه أيضاً هو الاستراتيجية الاستقرائية؛ وهي بمثابة التركيب والدمج لكل تلك البيانات. وما نواجهه الآن هو وجود كم هائلة من الكلمات.

نمتلك مفردات هائلة يصعب تذكرها، ولكننا نفتقر إلى القواعد التركيبية (syntax) التي تمكننا من صياغة تلك الكلمات في جمل ذات معنى في العديد من المجالات. وهذا هو الحال بشكل خاص في علوم الأعصاب النظمية. لذا أعتقد أننا بحاجة إلى المزيد من النظريات، لأن الظروف أصبحت معقدة للغاية لدرجة أن الأوصاف اللفظية التقريبية ربما لم تعد كافية لاستيعاب أو إنجاز هذه العملية التركيبية.

نحن بحاجة إلى أوصاف رسمية، ونحتاج إلى أدوات تحليل تسمح لنا بإنشاء نماذج، وهذا يتطلب عمليات حسابية قوية جداً. ومن ثم نحتاج بالطبع إلى مفكرين تركيبيين؛ وربما يكون هذا هو العنصر الأكثر أهمية في الوقت الراهن.

الأشخاص القادرون على تجميع كمية كبيرة من التفاصيل في فرضيات أو مفاهيم ذات معنى. ويمكن بالطبع تعزيز هذه العملية من خلال توفير البيئة المناسبة، حيث نشهد جهوداً عالمية لتوفير مثل هذه البيئات عن طريق إنشاء مؤسسات تسمى عادةً معهد علوم الأعصاب الحاسوبية أو معهد علوم الأعصاب النظرية. وفي الوقت الحالي، لا تزال العديد من هذه الأماكن موجودة بشكل منعزل إلى حد كبير وليست مرتبطة بشكل كافٍ بالمؤسسات التجريبية.

من الناحية المثالية، يطمح المرء لرؤية تعاون وثيق للغاية بين المنظرين والتجريبيين، كما هو الحال في الفيزياء حيث يتعاون الفيزيائيون النظريون والفيزيائيون التجريبيون بشكل وثيق وحر، ويتبادلون البيانات والأفكار دون غيرة، وهو أمر لا يزال غير متوفر في مجالنا. ولكنني أعتقد أن علم الأحياء يقترب الآن من عتبة أصبح فيها ناضجاً بما يكفي لدعم المقاربات النظرية بطريقة مجدية. وهنا في فرانكفورت، أسسنا معهد فرانكفورت للدراسات المتقدمة تحديداً لهذا الغرض، لأنني لاحظت أن الفيزيائيين والرياضياتيين، والمنظرين بشكل عام، يميلون إلى التهميش عندما يتم دمجهم داخل المعهد التجريبي.

فهي لا تملك عدداً كافياً من الزملاء للتحدث معهم لأن علماء الأحياء عادةً ما لا يكونون مدربين على لغتهم. لذا كانت الفكرة هي إنشاء معهد تُدرس فيه عدة أنظمة نموذجية، وهي أنظمة نموذجية بيولوجية تشترك في كونها أنظمة متعددة المكونات ومترابطة بشكل وثيق، مثل الجهاز المناعي أو الدماغ، على يد نظريين، على أمل أن يكتشف هؤلاء النظريون مبادئ مشتركة في هذه الأنظمة المعقدة ذاتية التنظيم، وأن يتمكنوا من مشاركة الأدوات التحليلية وأدوات بناء النماذج. وأعتقد أن الأمر قد نجح لأن هذا المعهد نما في غضون عام واحد تقريباً من صفر إلى 120 عالماً.

والهيكل الخاص لهذا المعهد، وهو أمر غير مستغرب للزملاء في أمريكا ولكنه استثنائي للغاية في أوروبا، يكمن في أن هذا المعهد يُموّل حصرياً من أموال المانحين الخاصة. فهو ليس معهداً جامعياً، ورغم ارتباطه بجامعة فرانكفورت، إلا أنه يُموّل بطريقة مختلفة للسبب البسيط وهو أنه كان من المستحيل تأسيس مثل هذا المشروع المتعدد التخصصات ضمن الكليات التقليدية؛ لأن ما يحدث هناك هو تداخل حقيقي بين التخصصات، حيث يتجاوز حدود الكليات، ويبدو أن تحقيق ذلك لا يكون ممكناً إلا من خلال امتلاك مبنى مستقل وخاص، وجمع أشخاص ينتمون إلى تخصصات مختلفة تماماً تحت سقف واحد. ورغم أن هذه المصطلحات قد استُمدت في البداية من الأنظمة الفيزيائية، إلا أنها لا تزال تستوعب بعض خصائص الدماغ، لأن الدماغ بوضوح يمثل نظاماً ذاتي التنظيم.

لا يوجد قائد في الدماغ لتنسيق جميع العمليات الموزعة؛ إذ يتطور الدماغ بطريقة ذاتية التنظيم من خلال التفاعل بين الجينات والبيئة. فلا يوجد مدرس، ولا توجد مخططات مسبقة.

وأخيرًا، ينطبق هذا المصطلح بشكل جيد جدًا على ما نلاحظه في الأنظمة المعقدة طوال الوقت، وهو أن الأنظمة المعقدة تميل إلى إظهار خصائص لا يمكن وصفها أو استنتاجها من خصائص المكونات. ويُعد الدماغ مثالاً جيداً بشكل خاص على هذه الحقيقة، وهو أمر نعلمه عن جميع الأنظمة المعقدة، فلا يوجد شيء استثنائي في الدماغ من هذه الناحية. أما الشيء الاستثنائي في الدماغ فهو أن لدينا من جهة عمليات مادية، وتفاعلات عصبية يمكن وصفها من منظور الشخص الثالث كأي عملية أخرى في بيئتنا.

وينبثق عن هذه التفاعلات العصبونية ظواهر عقلية، وظواهر نفسية مثل العواطف والأفكار والقرارات. لذا، هناك حقائق أود أن أشير إليها كحقائق اجتماعية تنبثق أو تتكون من خلال التفاعل بين الأدمغة التي تتواصل مع بعضها البعض، وتعمل كمرآة لبعضها البعض، وتنسب خصائص لبعضها البعض؛ ويمكن استبدال الأدمغة هنا بالأشخاص، فهذا لا يغير من الأمر شيئاً لأن ما يشكل الشخص في النهاية هو الدماغ في سياقه الجسدي، وبسبب هذه التفاعلات تنبثق ظواهر يجب اعتبارها ظواهر حقيقية، فهي حقائق، ولكن يجب وصفها بلغة مختلفة عن لغة الظواهر التي أوجدتها والتي تكمن في أصلها، وهي التفاعلات العصبونية. ولذلك أعتقد أن هذه حالة كلاسيكية من الانبثاق حيث يتولد شيء جديد بواسطة نظام معقد، إذ لن يتمكن أحد أبداً من استنتاج أن هذه العصبونات قادرة على تطوير أنظمة قيم عند تفاعلها مع بعضها البعض، بمجرد الاعتماد على المعرفة، أو حتى المعرفة الكاملة بالعصبونات، وبشبكات العصبونات أيضاً.

أعتقد أن المشكلة الرئيسية في جهودنا لإصلاح الأدمغة، بعيداً عن حقيقة أن الخلايا العصبية لا تتجدد بسهولة في الجهاز العصبي المركزي، تكمن في أنها لا تميل إلى مد استطالاتها بمجرد انقطاعها لأسباب لا نعرفها. ربما لم يكن هناك ضغط تطوري على تطوير مثل هذه الآليات لأن تلف الدماغ الذي يؤدي فعلياً إلى موت الخلايا على نطاق واسع كان عادةً غير متوافق مع البقاء على قيد الحياة. وتتمثل المشكلة الكبرى في استعادة الشبكات العصبية التي تضررت في صعوبة محاكاة العملية النمائية.

يتميز الدماغ الناضج بدوائر عصبية متطورة للغاية تطورت خطوة بخطوة في عملية تنظيم ذاتي معقدة، يوجهها الحوار بين الجينات والبيئة الخلوية التي تزداد تمايزاً وتتغير طوال فترة النمو. وهذه العملية هي في الأساس عملية تصاعدية من القاعدة إلى القمة؛ حيث تنضج البنى الطرفية أولاً، ثم تمر بفترات حرجة تصبح بعدها الاتصالية ثابتة، بحيث يمكن للمراحل الأعلى الاعتماد على ما تم بناؤه بالفعل، ثم تنظم نفسها بناءً على ما هو موجود مسبقاً.

وتستمر هذه العملية لدى البشر حتى سن العشرين، ثم تتبلور الدوائر العصبية، وعندها يتعين علينا التعايش مع الأدمغة التي تشكلت لدينا في تلك المرحلة. وهناك تعديلات إضافية تحدث من خلال التعلم واللدونة العصبية، ولكنها تظل محدودة. والآن، إذا أراد المرء استبدال الخلايا العصبية في مستويات المعالجة العليا، على سبيل المثال، عن طريق حقن الخلايا الجذعية أو ما شابه؛ فإننا نعلم بالفعل أن هذه الخلايا يمكنها التمايز، بحيث تتحول الخلايا السلفية إلى خلايا عصبية، ولكن تكمن المشكلة في ما إذا كانت ستجد الشركاء الذين يجب أن تتفاعل معهم؟

هل ستظل المعلومات التي كانت متاحة أثناء التطور، والتي وجهت نمو المحوار وشكلت اتصالات محددة، موجودة؟ ونحن نعلم أنه، إلى حد كبير، لم تعد هذه المعلومات متاحة لأن الجينات اللازمة للتعبير عن جزيئات الوسم الضرورية يتم إيقاف تفعيلها بمجرد انتهاء مرحلة التطور. وما قد يكون ضرورياً هو ألا يقتصر الأمر على توفير خلايا يمكنها التمايز إلى عصبونات وبالطبع خلايا glia، بل يجب أيضاً تفعيل أو مساعدة الكائن الحي على تفعيل الجينات التي كانت نشطة خلال عملية التطور، والتي أدت إلى التعبير عن كافة الآليات الجزيئية المطلوبة لإرشاد الخلايا حول الجهة التي يجب أن تتصل بها ومكان هذا الاتصال.

وبالطبع، فإن ما لا يمكن إعادة تركيبه بسهولة هو كل تلك التوصيلات الفريدة وضبط اللعبة المشبكية الناتج عن عمليات التعلم. لن تملك العصبونات المدمجة حديثاً، بطبيعة الحال، أي ذكرى أو استرجاع للتجربة التي انطبعت في مورفولوجيا وبنية ووظيفة العصبونات التي اختفت. لذا، هناك حدود معينة للقدرة على الاستعادة.

وكما ندرك في هذه اللحظة، هناك مناطق معينة في الدماغ يبدو أن هذه المسألة تشكل فيها مشكلة أقل، لأن الطبيعة قد توقعت تجدداً مدى الحياة للخلايا العصبية، ويبدو أنها حافظت على الآلية اللازمة لتعزيز هذا التجدد المستمر وإدراج الخلايا العصبية، كما هو الحال في الحصين وفي البصلة الشمية. أما في الهياكل الأخرى حيث من المحتمل أن يتسبب ذلك في مشاكل كبيرة، فإن أولى محاولات الاستبدال التي تمت حققت نجاحاً معيناً على الرغم من أنها لم تكن مرضية بعد، وكانت ذلك في الأنظمة التعديلية حيث لا تشكل الخصوصية الطوبولوجية مشكلة كبيرة. تعمل هذه الأنظمة بشكل يشبه الأنظمة الصماوية أو الأنظمة المجاورة التي تفرز ناقلات عصبية معينة مطلوبة للحفاظ على مستوى معين من الاستثارة.

تُعد هذه الأنظمة أكثر سهولة في الاستبدال لأن مشكلة النوعية أقل حدة، ولكن المستقبل سيكشف المدى الذي سنصل إليه في ذلك. وبالتأكيد، هناك توجهات واعدة للغاية في إعادة تثبيت نمو المحاور العصبية في العديد من الحبال الشوكية من خلال تثبيط العوامل التي تمنع النمو في مرحلة البلوغ، وتنشيط الآليات التي تعمل أثناء التطور وتعزز عملية النمو. وثمة نجاحات مشجعة في هذا المجال، ولكن يجب أيضاً النظر بجدية كبيرة في خيار البدائل العصبية الاصطناعية لتسجيل النشاط العصبي من المواضع التي لا يزال متاحاً فيها، ثم تفعيل المؤثرات عبر أجهزة ميكانيكية وواجهات حاسوبية يمكنها تحويل هذا النشاط إلى فعل ملموس للجهاز الحركي.

أو على العكس من ذلك، فمن الناحية الحسية، تعمل الغرسات القوقعية بالفعل بشكل جيد للغاية. وهناك حالياً محاولات لتطوير غرسات شبكية من أجل استعادة الوظائف البصرية الأساسية لدى الأشخاص الذين يعانون من تنكس الشبكية. كما يوجد خيار واعد جداً يتمثل في إدخال قنوات الحديد الموجهة بالضوء في خلايا الشبكية، بحيث تصبح الخلايا التي لا تكون حساسة للضوء في الحالة الطبيعية، مثل الخلايا العقدية أو الخلايا ثنائية القطب، حساسة للضوء؛ وبذلك يمكن مبدئياً استعادة بعض الوظائف التي فُقدت عند تنكس المستقبلات الضوئية، وذلك ببساطة عن طريق نقل الحساسية الضوئية إلى العصبونات من الدرجة الثانية أو الثالثة.

إن هذا الأمر ممكن بالفعل في التجارب الحيوانية، وقد يكون مساراً واعداً آخر للمتابعة. وأعتقد أن أوروبا تمتلك تقليداً قوياً جداً في تطوير المفاهيم منذ نهاية القرن التاسع عشر، حيث برزت تلك الشخصيات الرائدة التي أرست القواعد لعلم البيولوجيا العصبية التجريبي اللاحق إلى حد ما.

كما أنهم يمثلون الأسس التي قامت عليها أعمال عدد كبير من علماء فسيولوجيا النظم الذين نشطوا في أوروبا. وأعتقد أن هناك تقليداً راسخاً في علوم الأعصاب النظمية في أوروبا، وقد كان ذلك دائماً في الفترات التي كانت فيها نظرية النظم الخطية في ذروتها، حيثما كانت "السيبرنيطيقا" كما كانت تسمى، تمتلك في أوروبا بعض الرواد الأقوياء جداً مثل "ريهاد" على سبيل المثال. ثم حدث ما يشبه، ليس التحول الأيقوني، بل التحول الجزيئي في أوروبا كما حدث في أي مكان آخر، حيث هيمنت البيولوجيا الجزيئية وحلت محل العديد من النهج الموجهة نحو النظم.

يعود ذلك جزئياً إلى أن العمل في البداية كان أقل تكلفة من العمل على حيوانات كاملة، وجزئياً لأن التكنولوجيا غير الباضعة لم تكن متوفرة، ولم يكن بالإمكان القيام بأمور معينة في الحيوانات، وهي أمور يمكن القيام بها الآن في البشر. لكنني أعتقد أن هناك نهضة قوية في فسيولوجيا الأنظمة، على الرغم من أننا في أوروبا نضطر لخوض معركة شرسة ضد حماة الحيوانات فيما يتعلق بالأبحاث الأولية، وهذه قضية بالغة الحساسية. فالمختبرات التي تستطيع الحصول على تراخيص للعمل مع الرئيسيات أصبحت أقل فأقل، وهؤلاء الذين لا يزالون يحتفظون بالتراخيص.

هذا هو الحال بالنسبة لنا، حيث إننا معرضون بشدة للنقد العام، ومع ذلك يشهد علم الأعصاب النظمي نهضة جديدة. وأعتقد أن هناك أسباباً وجيهة لذلك، لأننا سنحتاج إليه بشكل متزايد من أجل فهم وفرة البيانات التي يتم جمعها حول خصائص العصبونات والدوائر الصغيرة. ولا يمكن دمج هذه البيانات إلا إذا كانت لدينا مفاهيم مستمدة من علم الأعصاب النظمي حول طبيعة الشفرة العصبية، وعن تعاون المناطق المختلفة في الدماغ، وعن التنسيق العالمي للعمليات، وعن المعالجة الموزعة.

تتم مناقشة كل هذه التساؤلات بحماس في الوقت الراهن، ونحن بحاجة فقط إلى إجراء المزيد من التجارب في هذا الاتجاه. وأعتقد أن أوروبا ليست في وضع سيئ للقيام بذلك. وكذلك إسرائيل، إذ يجب ألا ننسى المساهمة، بما في ذلك المساهمة المفاهيمية، لزملائنا في إسرائيل، والتي تعد مساهمة جوهرية.