تم اكتشاف القاعدة الرياضية وراء توزيع الخلايا العصبية في أدمغتنا

اكتشف باحثون في مشروع الدماغ البشري من 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 لكثافات الخلايا العصبية.

تلعب أعداد الخلايا العصبية وترتيبها المكاني دورًا حاسمًا في تشكيل بنية الدماغ ووظيفته. ومع ذلك، وعلى الرغم من وفرة البيانات المتعلقة بالهندسة الخلوية المتاحة، فإن التوزيعات الإحصائية لكثافات الخلايا العصبية لا تزال غير موصوفة إلى حد كبير. الدراسة الجديدة لمشروع الدماغ البشري (HBP)، المنشورة في المجلة القشرة الدماغية، يعزز فهمنا لتنظيم أدمغة الثدييات.

تحليل مجموعات البيانات والتوزيع اللوغاريتمي الطبيعي

تسع مجموعات بيانات متاحة للجمهور من سبعة صِنف (الفأر، والقرد، والمكاك، والجالاجو، وقرد البومة، والبابون، والإنسان) قدمت الأساس لتحقيقات فريق البحث. وبعد تحليل المناطق القشرية لكل منها، وجدوا أن كثافات الخلايا العصبية داخل هذه المناطق تتبع نمطًا ثابتًا – التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي. وهذا يشير إلى مبدأ تنظيمي أساسي يكمن وراء كثافات الخلايا العصبية في دماغ الثدييات.

التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي هو توزيع إحصائي يتميز بمنحنى منحرف على شكل جرس. وينشأ، 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، في حين أن المنحنى اللوغاريتمي الطبيعي غير متماثل وذو ذيل ثقيل.

الآثار المترتبة وأهمية النتائج

تعتبر هذه الأفكار محورية لنمذجة الدماغ الدقيقة. يقول ساشا فان ألبادا، قائد مجموعة التشريح العصبي النظري في Forschungszentrum Jülich وكبير مؤلفي الورقة البحثية: “ليس أقله أن توزيع كثافات الخلايا العصبية يؤثر على الاتصال بالشبكة”. “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 التكنولوجيا 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 كثافات الخلايا العصبية يمكن أن تكون ذات صلة بالتقييم الإحصائي للاختلافات بين المناطق ومواقع الحدود بين المناطق”.

فهم التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي في خصائص الدماغ

تتوافق النتائج مع الملاحظات السابقة التي تشير إلى أن العديد من خصائص الدماغ تتبع توزيعًا منطقيًا طبيعيًا. يقول ألكسندر فان ميجن، المؤلف الأول المشارك للدراسة: “أحد الأسباب التي تجعلها شائعة جدًا في الطبيعة هو أنها تظهر عند أخذ منتج العديد من المتغيرات المستقلة”. بمعنى آخر، ينشأ التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي بشكل طبيعي نتيجة لعمليات الضرب، على غرار كيفية ظهور التوزيع الطبيعي عند جمع العديد من المتغيرات المستقلة.

“باستخدام نموذج بسيط، تمكنا من إظهار كيف أن الانتشار المضاعف للخلايا العصبية أثناء النمو قد يؤدي إلى توزيعات كثافة الخلايا العصبية المرصودة” يشرح فان ميجن.

ووفقا للدراسة، من حيث المبدأ، قد تكون الهياكل التنظيمية على مستوى القشرة الدماغية منتجات ثانوية للتطور أو التطور ولا تخدم أي وظيفة حسابية؛ لكن حقيقة إمكانية ملاحظة نفس الهياكل التنظيمية للعديد من الأنواع وعبر معظم المناطق القشرية، تشير إلى أن التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي يخدم غرضًا ما.

يقول أيتور موراليس جريجوريو، المؤلف الأول للدراسة، مستشهدًا بالأعمال السابقة: “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”. التي تشير إلى أن عدم التجانس في اتصال الدماغ قد يعزز نقل المعلومات بكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، تدعم الشبكات غير المتجانسة التعلم القوي وتعزز سعة ذاكرة الدوائر العصبية.

المرجع: “التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي في كل مكان لكثافة الخلايا 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