وجهات النظر بشأن العلوم العصبية

كالعادة ، السبب الرئيسي للتقدم في العلوم الطبيعية هو التطورات المنهجية. بالطبع ، تتبع التطورات المفاهيمية وتسير بالتوازي ، لكنني أعتقد أن التوسع الهائل في مجال علوم الأعصاب كان ناتجا عن عدد من الاختراقات المنهجية على أدنى مستوى. كانت هذه هي التطورات في مجال البيولوجيا الجزيئية ، والهندسة الوراثية ، التي وفرت أنظمة نموذجية لدراسة التطوير لدراسة بعض الأمراض.

قدمت هذه التقنيات أيضا أدوات قيمة للغاية لتحديد الكيمياء الحيوية والجزيئية للخلايا العصبية. تعلمنا عن درجة من تنويع الخلايا العصبية المتطابقة شكليا والتي تتمتع بآليات جزيئية مختلفة. كل هذا ندين به لتطوير البيولوجيا الجزيئية.

العامل الثاني المهم الذي أعتقد أنه هو تطوير تقنيات التصوير غير الغازية. لأن هذا سمح لنا بنقل عدد كبير من المفاهيم التي تم تطويرها في التجارب على إلى التحقيقات في البشر. إذن هذا هو التصوير المقطعي الإيجابي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.

كما أدى إدخال التصوير المجسم المغناطيسي ، والذي سمح بدقة مكانية أفضل بكثير لتحليل النشاط الكهربائي في الدماغ إلى توسع كبير في هذا المجال. ثم أعتقد أن عاملا لا يستهان به هو توافر وزيادة توافر طاقة الكمبيوتر الهائلة لأنه عندما بدأت البيولوجيا العصبية في تطبيق تقنيات التسجيل متعددة المواقع ، والتي أعتبرها ضرورية لتحليل خصائص شبكة الخلايا العصبية ، أصبحت البيانات معقدة بشكل متزايد وأصبح من المستحيل بشكل متزايد تقييم البيانات فقط من خلال النظر إليها كما في الأوقات الكلاسيكية عندما بدأت في هذا المجال ، لم تكن هناك أجهزة كمبيوتر. كان علينا إجراء تحليل الارتباط المتقاطع عن طريق قص شرائط طويلة من الورق وتحريكها على الأرض.

لذا فإن توافر قوة الحوسبة قد أدى إلى تطوير فسيولوجيا الأنظمة بشكل كبير على الأقل. أعتقد أنه كان له تأثير كبير على هذه التطورات. وأخيرا وليس آخرا ، سمح لنا توافر مرافق الكمبيوتر هذه أيضا بمعالجة خصائص الشبكات العصبية على المستوى النظري.

الديناميكيات التي تظهرها الشبكات العصبية معقدة للغاية لدرجة أن دراسات النمذجة والأساليب النظرية فقط هي التي تضعنا في وضع يسمح لنا بصياغة فرضية مستنيرة. أيضا ، للبحث عن الرموز العصبية ، لا يمكننا المضي قدما بدون أدوات البحث هذه. لذلك أعتقد أن هذه التطورات المنهجية كانت مسؤولة عن التوسع الكبير في علوم الأعصاب ، والذي أعتقد أنه غير مسبوق في أي تخصص علمي.

بقدر ما يتعلق الأمر ببحثي الخاص ، هناك جزءان في سيرتي الذاتية. في البداية درست العمليات التنموية في الدماغ. كنت مهتما بشكل خاص بالعمليات التنموية التي تشكلها التجربة بعد الولادة.

والأساس المنطقي لهذا النهج هو أنني شعرت أن تنظيم الدماغ الناضج معقد للغاية لدرجة أننا ندرس بشكل أفضل المبادئ التنموية ونحاول فهمها ونحاول استقراء ما ستؤدي إليه هذه العمليات التنموية في النهاية. ولكن بعد ذلك ، أدى اكتشاف عرضي حدث بالفعل في هذا المختبر الذي نجلس فيه إلى تغيير حياتي لأنني اكتشفت عن غير قصد أن الخلايا العصبية في القشرة البصرية الأولية للقطط التي كانت مستيقظة تجلس بالفعل على الطاولة خلفي تشاهد شبكة منجرفة ، انخرطت في نشاط تذبذبي متزامن للغاية لم أستطع أن أعزوه لا إلى التحلل إلى المنبه ولا إلى التبديل الرئيسي في ألمانيا هي 50 دورة لأن لقد كان تذبذبا في نطاق 40 هرتز. وهكذا رأيت لأول مرة أن الخلايا العصبية الموزعة مكانيا يمكن أن تنسق نشاطها بدقة عالية جدا في نطاق المللي ثانية على مسافات كبيرة إلى حد ما.

وقد أثار هذا فكرة أنه ربما يتم استخدام الوقت كمساحة ترميز لتنسيق الاستجابات العصبية الموزعة. ووجدت هذا الخيار مثيرا للاهتمام لدرجة أنني قررت إهمال المجال المحبوب جدا لعلم الأعصاب التنموي واستثمار معظم جهودنا في مزيد من التحليل لهذه الظاهرة. وهذا الآن منذ ما يقرب من 15 عاما أو أكثر.

ومنذ ذلك الحين ، أمضينا معظم وقتنا في تسجيلات متعددة المواقع والبحث عن براءات اختراع زمنية مكانية في الشبكات العصبية الموزعة لأننا نعتقد اعتقادا راسخا أن المعلومات لا يتم ترميزها فقط في معدل تفريغ الخلايا العصبية كما هو مفترض ومؤكد بشكل كلاسيكي ، ولكن يتم ترميز المعلومات الإضافية في العلاقات المؤقتة الدقيقة بين التصريفات الفردية للخلايا العصبية حيث ترتبط بحيرة الطور الصفري. لذا فإن المصادفة الدقيقة ربما تكون مجرد غيض من فيض. لكن نصيحة مهمة ، لأن النشاط المتزامن مثير للاهتمام بشكل خاص في الشبكات العصبية ، لأنه ينتشر بسهولة شديدة ، فإن مزامنة الاستجابات هي وسيلة لتعزيز بروز الاستجابات العصبية ذات الوضع الزمني الكبير.

يمكن القيام بذلك على أساس ارتفاع تلو الآخر. وكانت الفرضية الأولية أن هذا التزامن يستخدم في المراحل المحيطية من المعالجة الحسية من أجل إنشاء علاقات بين السمات التي تتم معالجتها بواسطة الخلايا العصبية الموزعة مكانيا. منذ ذلك الحين ، شاركت العديد من المختبرات في البحث عن ظواهر التزامن.

لقد بدأ الأمر في أوروبا على ما أعتقد مع زملاء مثل RI الذين طبقوا تقنيات مخطط كهربية الدماغ لتقييم النشاط التذبذبي المتزامن في الدماغ وربط هذه الأنشطة بالوظائف المعرفية. ومنذ ذلك الحين تمت مناقشة دور التذبذبات والتزامن بطريقة مثيرة للجدل للغاية. أعتقد أن الشكوك الأولية في احتمال وجود هذه الظاهرة قد تم مواجهتها الآن ، ونحن جميعا منخرطون الآن في البحث عن عواقب وظيفية.

وهناك عدد كبير من الفرضيات حول ما يمكن أن يعنيه ذلك. هل يعكس تراكم هذه الكمية الهائلة من البيانات التي نواجهها في الوقت الحاضر والتي نواجه صعوبات كبيرة جدا في التعامل معها التقدم الحقيقي. من المؤكد أنه يعكس التقدم لأننا نتعرف على المزيد والمزيد من الحقائق والتفاصيل حول تنظيم الخلايا العصبية وشبكات الخلايا العصبية والدماغ ككل.

وهذه نتيجة ضرورية للمناهج التحليلية الكلاسيكية التي يتم تطبيقها في العلوم الطبيعية. يعزل المرء نظاما فرعيا ثم يصفه بمزيد من التفصيل. لكن هذا ليس سوى نصف المسعى العلمي.

ما نحتاجه أيضا هو الاستراتيجية الاستقرائية. هذا هو توليف كل تلك البيانات. وما نواجهه الآن هو أن لدينا كمية هائلة من الكلمات.

لدينا مفردات هائلة يصعب تذكرها ، لكننا نفتقر إلى بناء الجملة لوضع هذه الكلمات معا في جمل ذات مغزى في العديد من المجالات. هذا هو الحال بشكل خاص في علم الأعصاب المنظومة. لذلك نحن بحاجة ، على ما أعتقد ، إلى مزيد من النظرية لأن الظروف أصبحت معقدة للغاية لدرجة أن الأوصاف اللفظية القريبة ربما لم تعد كافية لفهم أو تحقيق هذه العملية التركيبية.

نحن بحاجة إلى أوصاف رسمية ، نحتاج إلى أدوات تحليل تسمح لنا بإنشاء نماذج وهذا يتطلب حسابات قوية للغاية. ثم نحتاج بالطبع إلى مفكرين اصطناعيين. ربما يكون هذا هو العنصر الأكثر أهمية في الوقت الحالي.

الأشخاص الذين يمكنهم تجميع كمية كبيرة من التفاصيل في فرضيات أو مفاهيم ذات معنى. الآن يمكن للمرء بالطبع تعزيز هذه العملية من خلال توفير البيئة المناسبة وفي جميع أنحاء العالم يرى المرء جهودا لتوفير مثل هذه البيئات من خلال إنشاء مؤسسات تسمى عادة معهد علم الأعصاب الحاسوبي أو معهد علم الأعصاب النظري. في الوقت الحالي ، لا يزال العديد من هذه الأماكن موجودة في مكانين كبيرين بمعزل عن بعضهما البعض ولا يرتبطان بشكل كاف بالمؤسسات التجريبية.

من الناحية المثالية ، يود المرء أن يرى تعاونا وثيقا جدا بين المنظرين والتجريبيين ، كما كان مثمرا جدا في الفيزياء حيث يتعاون علماء الفيزياء النظرية والفيزياء التجريبية بشكل وثيق بحرية ، ويتبادلون أفكار البيانات ويفعلون ذلك دون غيرة ، وهو ما لا يزال غير الحال في مجالنا. لكنني أعتقد أن علم الأحياء يقترب الآن من عتبة حيث يكون ناضجا بما يكفي لدعم الأساليب النظرية بطريقة ذات مغزى. وهنا في فرانكفورت، أسسنا معهد فرانكفورت للدراسات المتقدمة لهذا الغرض بالضبط لأنني اختبرت أن الفيزيائيين وعلماء الرياضيات، والمنظرين بشكل عام عندما يتم دمجهم في المعهد التجريبي، فإنهم يميلون إلى التهميش.

ليس لديهم عدد كاف من الزملاء للتحدث معهم لأن علماء الأحياء عادة ما لا يتدربون على لغتهم. ولذا كانت الفكرة هي دعونا ننشئ معهدا يدرس فيه المنظرون العديد من الأنظمة النموذجية ، وأنظمة النماذج البيولوجية التي تشترك في كونها أنظمة متعددة المكونات مرتبطة بإحكام مثل نظام القمر أو الدماغ ، على أمل أن يكتشف هؤلاء المنظرون مبادئ مشتركة في هذه الأنظمة المعقدة ذاتية التنظيم وأن يتمكنوا من مشاركة الأدوات التحليلية ، يمكن مشاركة أدوات بناء النماذج. وأعتقد أن الأمر نجح لأنه في غضون عام تقريبا نما هذا المعهد من صفر إلى 120 عالما.

والهيكل الخاص لهذا المعهد ، وهو ليس مفاجئا للزملاء في أمريكا ، ولكن هذا استثنائي تماما في أوروبا ، هو أن هذا المعهد يتم تمويله حصريا من قبل الصناديق الخاصة المانحة. إنه ليس معهدا جامعيا ، إنه مرتبط بالجامعة في فرانكفورت ، ولكنه تمويل بطريقة مختلفة لسبب بسيط هو أنه كان من المستحيل تثبيت مثل هذا المشروع متعدد التخصصات داخل الكليات التقليدية لأن ما يحدث هناك هو حقا أنا التخصصي ، فهو يعبر الكليات ويبدو أنها لا يمكن تحقيقها إلا من خلال وجود مبنى منتصب وخاص به وجمع الأشخاص الذين يأتون من مختلف تماما الانضباطات تحت سقف واحد. على الرغم من أن هذه المصطلحات مأخوذة من الأنظمة الفيزيائية في البداية ، إلا أنها لا تزال تفهم بعض خصائص الدماغ لأن الدماغ هو بوضوح نظام ذاتي التنظيم.

لا يوجد موصل في الدماغ لتنسيق جميع العمليات الموزعة. يتطور الدماغ بطريقة ذاتية التنظيم من خلال التفاعل بين الجينات والبيئة. لا يوجد مدرب ، ولا يوجد مخطط ، بداهة.

وأخيرا ، ينطبق المصطلح جيدا على ما نلاحظه في الأنظمة المعقدة طوال الوقت ، أي أن الأنظمة المعقدة تميل إلى إظهار خصائص لا يمكن وصفها أو استنتاجها من خصائص المكونات. والدماغ هو مثال جميل بشكل خاص لهذه الحقيقة، والتي نعرف من جميع الأنظمة المعقدة أنه لا يوجد شيء مميز في الدماغ. الشيء المميز في الدماغ هو أن لدينا على جانب واحد عمليات مادية ، وتفاعلات الخلايا العصبية التي يمكن وصفها من منظور شخص ثالث على أنها أي عملية أخرى في بيئتنا.

وهذا الظهور من هذه التفاعلات العصبية هو ظواهر عقلية ، ظواهر نفسية مثل العواطف والأفكار والقرارات. لذلك هناك حقائق أود أن أتناولها كحقائق اجتماعية تظهر أو تظهر إلى حيز الوجود من خلال التفاعل بين الأدمغة التي تتواصل مع بعضها البعض ، وتعكس بعضها البعض ، وتنسب الخصائص إلى بعضها البعض ، ويمكن أن تحل محل الأدمغة من قبل الأشخاص ، لا يهم حقا لأن ما يجعل الشخص هو أخيرا الدماغ في بيئته الجسدية وبسبب هذه التفاعلات تظهر ظواهر يجب اعتبارها ظواهر حقيقية ، إنها حقائق ، ولكن يجب وصفها بلغة مختلفة على أنها الظواهر التي تبرزها في أصلها ، أي التفاعلات العصبية. وبالتالي أعتقد أن هذه حالة كلاسيكية للظهور حيث يتم إنشاء شيء جديد بواسطة نظام معقد ، لن يتمكن أحد أبدا من الاستنتاج من المعرفة والمعرفة الكاملة للخلايا العصبية ، وحتى من المعرفة الكاملة بشبكات الخلايا العصبية ، أنها قادرة على تطوير أنظمة القيم عندما تتفاعل مع بعضها البعض.

أعتقد أن المشكلة الرئيسية في جهودنا لإصلاح الأدمغة ، بصرف النظر عن حقيقة أن الخلايا العصبية لا تتجدد بسهولة في الجهاز العصبي المركزي ، فهي لا تحب تمديد العمليات بمجرد قطعها لأسباب لا نعرفها. ربما لم يكن هناك ضغط تطوري من Evo على تطوير مثل هذه الآليات لأن تلف الدماغ الذي يؤدي حقا إلى موت الخلايا على نطاق واسع لم يكن عادة متوافقا مع البقاء على قيد الحياة. المشكلة الكبرى في استعادة شبكات الخلايا العصبية التي تضررت هي أنه من الصعب تلخيص عملية النمو.

يتميز الدماغ الناضج بدائرة متطورة للغاية تطورت خطوة بخطوة في عملية معقدة ذاتية التنظيم ، مسترشدة بالحوار بين الجينات والبيئة الخلوية الأكثر تمايزا بشكل متزايد والتي تتغير خلال التطور. وهذه العملية هي في الأساس عملية من أسفل إلى أعلى. تنضج الهياكل الطرفية أولا ، ثم تمر بفترات حرجة ويصبح الاتصال ثابتا بحيث يمكن للمراحل العليا الاعتماد على ما تم بناؤه بالفعل ثم تنظم نفسها كدالة لما هو موجود بالفعل.

وتستمر هذه العملية في البشر حتى سن 20 ثم تتبلور الدوائر ومن ثم علينا أن نتعايش مع الأدمغة التي لدينا في تلك المرحلة الزمنية. هناك مزيد من التعديل عن طريق التعلم والمرونة العصبية ، لكن هذا محدود. الآن إذا كان المرء سيحل محل الخلايا العصبية في مستويات أعلى من المعالجة ، على سبيل المثال ، عن طريق حقن الخلايا الجذعية أو هكذا هذه الخلايا العصبية التي نعرفها بالفعل ، يمكنها التمايز ، يمكن أن تصبح السلائف خلايا عصبية ، لكن المشكلة هي هل سيجدون الشركاء الذين يجب أن يتفاعلوا معهم؟

هل ستظل المعلومات موجودة التي كانت متاحة أثناء التطوير والتي وجهت نمو المحور العصبي ، والتي وجهت تشكيل روابط محددة. ونحن نعلم أن هذه المعلومات لم تعد متوفرة إلى حد كبير لأن الجينات التي يحتاجها المرء للتعبير عن جزيئات العلامات الضرورية ، يتم إيقاف تشغيلها بمجرد انتهاء التطور. وما هو ضروري على الأرجح هو أن المرء لا يزود فقط الخلايا التي يمكن أن تتمايز إلى خلايا عصبية وبالطبع أيضا خلايا ggl ، ولكن أيضا يقوم بتشغيل أو مساعدة الكائن الحي على تشغيل الجينات التي كانت نشطة أثناء عملية النمو التي تؤدي إلى التعبير عن جميع الآلات الجزيئية المطلوبة لإخبار الخلايا بمن يجب أن تتصل بها ، حيث يجب أن يتصلوا.

وما لا يمكن إعادة تثبيته بسهولة هو كل الأسلاك الخاصة وتعديل اللعبة المشبكية التي ترجع إلى عمليات التعلم. لن يكون للخلايا العصبية المدمجة حديثا بالطبع أي تذكار ، ولا تذكر للتجربة التي تم طباعتها في مورفولوجيا وهيكل ووظيفة الخلايا العصبية التي اختفت. لذلك هناك حدود معينة للقدرة على الاستعادة.

وكما ندرك في الوقت الحالي ، هناك أماكن معينة في الدماغ حيث يبدو أن هذا يمثل مشكلة أقل لأن الطبيعة قد توقعت تجديد الخلايا العصبية مدى الحياة ويبدو أنها أبقت الآلية على قيد الحياة اللازمة لتعزيز هذا التجديد المستمر وإدخال الخلايا العصبية كما هو الحال في الحصين وفي البصلة الشمية. لكن الهياكل الأخرى التي ربما يسبب فيها هذا مشاكل كبيرة ، البدائل الأولى التي تمت تجربتها وحققت نجاحا مؤكدا على الرغم من أنها لم تكن مرضية بعد ، حيث الأنظمة المعدلية حيث لا تمثل الخصوصية الطوبولوجية مشكلة كبيرة. تعمل هذه الأنظمة مثل أنظمة الغدد الصماء أو الباراكرين التي تحرر بعض أجهزة الإرسال المطلوبة من أجل الحفاظ على قدر معين من الاستثارة.

يمكن استبدال هذه الأنظمة بسهولة أكبر لأن الخصوصية أقل مشكلة ، لكن المستقبل سيظهر إلى أي مدى نصل إلى هناك. من المؤكد أن الأساليب الواعدة جدا في إعادة تثبيت نمو الثيران في العديد من الحبال الشوكية عن طريق تثبيط العوامل التي تمنع النمو عند البالغين وتنشيط الآليات التي تدخل حيز التنفيذ أثناء التطور وتعزز النمو. هناك نجاحات مشجعة في هذا المجال ، ولكن يجب على المرء أيضا التفكير بجدية شديدة في خيار الأطراف الاصطناعية العصبية لتسجيل النشاط العصبي من الأماكن التي لا يزال متاحا فيها ثم من خلال الأجهزة الميكانيكية وواجهات الكمبيوتر التي تنشط الجهات الفاعلة التي يمكنها ترجمة هذا النشاط إلى عمل للنظام الحركي.

أو على العكس من ذلك ، على الجانب الحسي ، تعمل غرسات القوقعة الصناعية بالفعل بشكل جيد بشكل مثير للإعجاب. هناك الآن محاولات لتطوير غرسات الشبكية من أجل إعادة تثبيت الوظائف البصرية البدائية لدى الأشخاص الذين يعانون من تنكس الشبكية. هناك أيضا خيار واعد للغاية لإدخال قنوات حديدية ذات بوابات ضوئية في خلايا الشبكية بحيث تصبح الخلايا التي عادة ما تكون غير حساسة للضوء ، وهي الخلايا العقدية على سبيل المثال ، أو الخلايا ثنائية القطب حساسة للضوء بحيث يمكن للمرء من حيث المبدأ تخزين بعض الوظائف التي تفقد عندما تتحلل المستقبلات الضوئية ببساطة عن طريق نقل حساسية الضوء إلى الخلايا العصبية من الدرجة الثانية أو الثالثة.

هذا ممكن بالفعل في التجارب على. قد يكون وسيلة واعدة أخرى يجب اتباعها. أعتقد أن أوروبا لديها تقليد قوي جدا في تطوير المفاهيم في نهاية القرن التاسع عشر ، وقيادة تلك الشخصيات الأساسية التي وفرت الأسس لعلم الأعصاب التجريبي اللاحق إلى حد ما.

كما أنهم الأجداد لعدد كبير من علماء فسيولوجيا الأنظمة الذين كانوا نشطين في أوروبا. أعتقد أن هناك تقليدا جيدا في علم الأعصاب للأنظمة في أوروبا كان دائما في الأوقات التي كان فيها ، عندما كانت نظرية الأنظمة الخطية لا تزال في ذروتها ، كان لدى علم التحكم الآلي ، كما كان يطلق عليه أوروبا ، عدد قليل من الدعاة الأقوياء جدا مثل rehad على سبيل المثال. ثم, كان هناك شيء مثل, ليس منعطفا أيقونيا, ولكن التحول الجزيئي في أوروبا وكذلك في أي مكان آخر, تولى البيولوجيا الجزيئية واستبدال العديد من الأساليب الموجهة نحو الأنظمة.

ويرجع ذلك جزئيا إلى أنه في البداية كان أرخص من العمل مع كاملة، ويرجع ذلك جزئيا إلى عدم توفر التكنولوجيا غير الغازية ولا يمكن للمرء أن يفعل أشياء معينة في، وهو ما يمكن القيام به الآن في البشر. لكنني أعتقد أن هناك نهضة قوية في فسيولوجيا الأنظمة على الرغم من أنه يتعين علينا في أوروبا خوض معركة صعبة ضد دعاة حماية فيما يتعلق بالبحث الأولي ، فهذه قضية حرجة حقيقية. المختبرات التي يمكنها ذلك ، لا تزال تحصل على ترخيص للعمل مع الرئيسيات تصبح أقل وأقل وأولئك الذين لا يزالون يحملون الترخيص.

هذا هو الحال معنا حيث لدينا ، نحن معرضون كثيرا للنقد العام ، ولكن لا يزال علم الأعصاب للأنظمة يشهد نهضة. وأعتقد أن هناك أسبابا وجيهة لذلك لأننا سنحتاج إليها أكثر فأكثر من أجل فهم عدد كبير من البيانات التي يتم جمعها بواسطة خصائص الخلايا العصبية والدوائر الصغيرة. ولا يمكن دمج هذه البيانات إلا إذا كانت لدينا مفاهيم مشتقة من علم الأعصاب للأنظمة حول طبيعة الشفرة العصبية ، وحول تعاون المناطق في الدماغ ، والتنسيق العالمي للعمليات ، والمعالجة الموزعة.

كل هذه الأسئلة تتم مناقشتها بحرارة في الوقت الحالي ونحتاج فقط إلى المزيد من التجارب على هذا المنوال. وأعتقد أن أوروبا ليست في وضع سيء للقيام بذلك. وإسرائيل أيضا، لا ينبغي للمرء أن ينسى إسهاما كبيرا، وكذلك إسهامهما من المفاهيم لزملائنا في إسرائيل.