القائمة الرئيسية

الصفحات

علماء علمو الفئران أن يشموا رائحة غير موجودة

علماء علمو الفئران أن يشموا رائحة غير موجودة

عندما أراد علماء الأعصاب DAVID Hubel و Torsten Wiesel فهم كيفية تحليل الدماغ لبيئته البصرية ، جعلوه بسيطًا قدر الإمكان. في مختبر هارفارد المكتظ بالمعدات الكهربائية ، وضعوا القطط أمام الشاشة وأظهروا لهم صورًا بسيطة للغاية: النقاط في أماكن معينة ، وخطوط بزوايا مختلفة. في الوقت نفسه ، استخدموا أقطاب كهربائية مزروعة "حرفيا" "للاستماع" إلى الخلايا العصبية في مناطق الدماغ المخصصة للرؤية. من خلال مراقبة الخلايا العصبية التي تنشط استجابةً للأشكال ، كانت قادرة على إلغاء حظر جزء من "الشفرة البصرية" للدماغ ، أي كيف تمثل المعلومات المرئية حول بيئتها. لإنتاجها ، حصل Hubel و Wiesel على جائزة نوبل في عام 1981 ، وأطلقت اكتشافاتهما المجال الغني والمتنوع لعلم الأعصاب البصري.

لكن العلماء الذين يريدون دراسة حاسة الشم لدينا ليس لديهم نفس الفوائد. قال إدموند تشونغ ، وهو طالب دراسات عليا في علم الأعصاب في جامعة نيويورك ، إن "الرائحة غامضة إلى حد ما". في حين يمكن تقسيم الصور والأشكال المعقدة إلى خطوطها وزواياها المكونة ، إلا أنه ليس من الواضح على الفور كيفية تحطيم الروائح التي تحملها المواد الكيميائية في الهواء. عندما يستنشق الشخص هذه الجزيئات ، يمر عبر أنفه ويعلق نفسه بالخلايا المستقبلة ، والتي تؤدي إلى نمط من النشاط في البصلة الشمية ، وهي بنية دماغية صغيرة مستطيلة تقع مباشرة فوق التجويف الأنفي. يتعرف الدماغ في النهاية على هذا النمط باعتباره رائحة غريبة. يسمح هذا النظام للبشر باكتشاف ما يصل إلى تريليون من الروائح المختلفة ، على الرغم من أننا أقل مهارة في الشم من الفئران ، التي تحتل بصلة حاسة الشم 2٪ من حجم دماغها ، مقارنة بنسبة مائة بالمائة في الإنسان.

ويقول تشونغ إنه نظرًا لأن هذه المواد الكيميائية التي تحمل الروائح لا يتم تقسيمها بسهولة إلى الأجزاء المكونة لها ، "فمن الصعب التعامل معها بشكل مباشر". لذلك عندما أراد أن يفهم كيف يمثل الدماغ الرائحة ، لم يستطع أن يسير على خطى Hubel و Wiesel. بدلاً من تقديم حيواناته المختبرية بمواد كيميائية حقيقية ، ذهب مباشرة إلى أدمغتهم. في الأسبوع الماضي ، نشر تشونغ وزملاؤه دراسة في مجلة Science توضح أنهم قد توصلوا إلى بعض التفاصيل حول كيفية تمثيل لمبة الرائحة للروائح ، من خلال صنع عطور لا تشبه رائحة الفئران في العالم الحقيقي.

قال سانديب روبرت داتا ، الأستاذ المساعد في علم الأعصاب بكلية الطب بجامعة هارفارد ، والذي لم يشارك في الدراسة: "إنه إنجاز مذهل من الناحية الفنية والمفاهيمية". "لقد استفادوا من الطرق المتقدمة لجعل الحيوان يعتقد أن رائحته ذات رائحة معينة. من خلال تجنب مشاكل التعامل مع الجزيئات ذات الرائحة تمامًا والذهاب مباشرة إلى الدماغ ، تمكن تشونج وزملاؤه من دراسة الجوانب التفصيلية لنشاط الدماغ الذي يهم حاسة الشم.

في حين أن رائحة الفئران تجعل الروائح المستحيلة تبدو وكأنها خيال علمي ، فإن نهج تشونغ العام - الذي يحفز جزءًا من الدماغ لفهم منطقه - كان موجودًا بالفعل قبل تجربة Hubel و Wiesel على القطط. . غالبًا ما يستخدم وايلدر بينفيلد ، جراح الأعصاب النشط في منتصف القرن العشرين ، تيارًا كهربائيًا لتنشيط مناطق مختلفة على سطح أدمغة مرضاه. اكتشف بسرعة أنه يمكن أن يجعل مرضاه يشعرون بإحساس جسدي ، على سبيل المثال ، بساعديهم عن طريق تحفيز المنطقة الصحيحة من الدماغ - حتى لو لم يتم لمسهم حقًا.

حتى يتمكن الفئران من اكتشاف الروائح الاصطناعية ، كان يجب أن يكون أكثر دقة. يعرف الباحثون الذين يدرسون البصلة الشمية أن الأنماط المميزة للنشاط العصبي في البصلة تتوافق مع الروائح المختلفة. لذا ، لجعل روائح الفئران التي لم تكن موجودة بالفعل ، استخدم Chong تقنية تسمى علم الوراثة البصري ، والتي تسمح للعلماء بتحفيز مجموعات من الخلايا العصبية باستخدام الضوء فقط. تتطلب تجارب علم الوراثة البصرية الفئران التي تم هندستها وراثيا لجعل بعض الخلايا العصبية في البصريات ، في هذه الحالة ، حساسة للضوء الأزرق. عندما يضيء الباحثون هذه الخلايا العصبية ، تصبح الخلايا العصبية المضيئة نشطة. بإضاءة نقاط مختلفة من الضوء لتحفيز مجموعات من الخلايا العصبية الشمية ، يمكن أن يولد Chong رائحة اصطناعية - ويجعل الفئران تتعرف على هذه الرائحة بمرور الوقت.

ولكن ماذا تعرف الفئران بالضبط؟ على الرغم من أن أنماط نشاط الدماغ التي حصل عليها تشونغ تشبه إلى حد كبير تلك التي تنتجها جزيئات الرائحة بشكل طبيعي ، إلا أنه لم يحاول إعادة إنشاء النموذج لرائحة معينة من العالم الحقيقي. لهذا السبب ، من المستحيل أن تعرف بشكل مؤكد الرائحة التي تتصورها الفئران. قال تشونغ "إن فئراننا لا تستطيع التكلم ، ولا يمكنها أن تكتب عن عالمها الداخلي كما لو كانت مادة بشرية."

لكن فريقه كان قادرًا على التحقق مما إذا كانت الفئران قد أدركت الرائحة: علم تشونغ الفئران أن يبلغوا كيف يشعرون من خلال لعق زوج من فوهات المياه. على وجه التحديد ، تسبب في لعق الفئران منقار عندما تكتشف رائحة اصطناعية واحدة تنتج عن نمط تحفيز دماغي معين - "الرائحة المستهدفة" - وأخرى عندما تكتشف رائحة أخرى. إذا كان الفأر يلعق منقارًا جيدًا ، فإنه يحصل على قطرة ماء كمكافأة. بمجرد أن تتمكن الفئران من أداء هذه المهمة بشكل صحيح ، استنتج الباحثون أنهم تعلموا التعرف على الرائحة المستهدفة ، حتى لو لم يدركوا هذه الرائحة إلا من خلال التحفيز الجيني ولم يستنشقوها أبدًا من خلال الأنف.

ميزة كبيرة لهذه الاستراتيجية هي أنها سمحت للباحثين بالتشكيك في جوانب نموذج نشاط الدماغ الأكثر أهمية لقدرة الماوس على التعرف على الرائحة المستهدفة. يقول تشونج: "إن الميزة الحقيقية لاستخدام المنبهات الاصطناعية هي أنك تبني هذه النماذج من الصفر وتتحكم فيها بالكامل". لتقييم أي أجزاء من الرائحة المستهدفة كانت مهمة للفئران وأيها لم تكن كذلك ، قام هو وفريقه بتعديل النموذج قليلاً بطرق مختلفة. ثم قاموا بتحفيز الفئران بهذه الأنماط الجديدة ولاحظوا ما يقذف لعق الفئران في الاستجابة. إذا اختاروا الناطقة المستهدفة ، فهذا يعني أنهم اعترفوا بهذا النموذج الجديد على أنه يعادل الرائحة المستهدفة. إذا اختاروا المنقار الآخر ، فإنهم لم يعودوا يدركون نفس الرائحة ، مما يعني أن التغيير مهم لرمز الدماغ الشمي.

بفضل هذه الاستراتيجية ، تمكن تشونغ وزملاؤه من الإجابة على الأسئلة التي أزعجت الباحثين منذ فترة طويلة في مجالهم. على سبيل المثال ، يعتقد العديد من العلماء الذين يدرسون الرائحة بالفعل أن توقيت نشاط لمبة الرائحة مهم لكيفية معالجة الدماغ للرائحة. لكنهم لم يتفقوا على التفاصيل. من خلال تعديل توقيت أنماط تحفيز دماغه - نقطة ضوء تأتي قبل ذلك بقليل أو نقطة أخرى بعد ذلك بقليل - تمكن تشونج وزملاؤه من إثبات أن التوقيت المحدد أكثر أهمية في بداية نمط النشاط. دماغي. عندما وصلت البقع في بداية تسلسل الهدف قبل ذلك بقليل أو بعد ذلك بقليل مما اعتاد الفأر عليه ، غالبًا ما تلعق الفئران صنبور الماء غير المستهدف. من ناحية أخرى ، نجحوا بشكل عام عندما قام الباحثون بتأخير أو تسريع الأجزاء اللاحقة من التسلسل.

بدون تقنية الرائحة الاصطناعية ، لكان من الصعب للغاية فك شفرة هذه القطعة الشمية. توضح كريستيان لينستر ، أستاذة علم الأحياء العصبية والسلوك في جامعة كورنيل ، التي لم تشارك أيضًا في هذه الدراسة: "تُظهر هذه الأشياء أشياء اعتقدها الجميع ولكن لم يتمكن أحد من إثباتها تجريبيًا على الإطلاق". ابحاث. "انها حقا تقدم الميدان من خلال تعزيز أن الطريقة التي نفكر بها هي الطريقة الصحيحة."

ومع ذلك ، من الصعب التأكد من أن ما نتعلمه من الروائح الزائفة ينطبق على الطريقة التي يعالج بها الدماغ الروائح الحقيقية. هذا لأن استراتيجية لعق المنقار لديها بعض أوجه القصور. في حين أن هذه هي إحدى الطرق الوحيدة التي يمكن للفئران من خلالها التواصل مع العلماء الذين يقومون بدراستها ، من خلال مكافأة الفئران بشكل متكرر على استجابتها لنمط معين من النشاط في بصيلاتهم الشمية ، فقد يكون لدى Chong وزملائه -تم تدريب الفئران على التفاعل مع هذه النماذج بطريقة غير نمطية. يلاحظ داتا أن "معظم الحيوانات تتفاعل مع الروائح بطريقة لا تكافأ". "معظم الوقت عندما نتجول أنا وأنت في جميع أنحاء العالم ، نشم ولا نتعرض للضرب على الرأس أو نحصل على قطع صغيرة من السكر استجابة لذلك."

يوافق لينستر على أن هذا الاختلاف يحد بشكل خطير مما يمكن أن تخبرنا به دراسة تشونج حول كيفية عمل الروائح في العالم الحقيقي. يقول لينستر: "ما تبينه لنا (الدراسة) هو أن الحيوانات تتعلم ما تعلمه لها". "إنه يعلمنا أقل عن ترميز الروائح مما يمكنك من استخدام أي منبهات لتعليم الحيوان ، وسوف يتعلمه ذلك الحيوان بعد ذلك.

يعتقد تشونج أن هناك سببًا للاعتقاد بأن الفئران تعالج هذه الروائح الاصطناعية مثل الروائح الحقيقية. وكتب في رسالة بالبريد الإلكتروني "نجد أن الحيوانات تتعلم مهمتنا بسرعة ودقة تضاهي ما ستحصل عليه إذا تعلمت التمييز بين الروائح الحقيقية". لكنه يوافق على أن استراتيجية فريقه لا يمكن أن تكون الدواء الشافي لجميع الأبحاث الشمية. في نهاية المطاف ، نعتبر نهجنا الاصطناعي مكملًا ... للنهج التقليدية التي تستخدم المزيد من الروائح "الحقيقية" ، كما يكتب.

يعمل زملاء Chong بالفعل بجد لتحقيق هذا النهج الاصطناعي الواقعي لرائحة الفئران والبشر. تتمثل إحدى الاستراتيجيات التي يتبعونها في محاولة إعادة إنتاج أنماط نشاط اللمبة الشمية التي تمثل الروائح الحقيقية. للقيام بذلك ، يجب عليهم تعريض الفئران لرائحة كيميائية حقيقية - مثل خلات isoamyl ، التي تشم رائحة الموز بشدة - ، ومراقبة تسلسل النشاط العصبي الذي تثيره الرائحة وإعادة إنتاج هذا التسلسل عن طريق التحفيز الضوئي. . إذا نجحوا ، يمكن أن تجعل رائحة الفئران مثل الموز بدون أي مواد كيميائية. لكن إعادة إنتاج نمط حقيقي لنشاط الدماغ باستخدام الضوء مهمة صعبة للغاية. يقول تشونج: "أتوقع أن يحدث هذا في غضون 5 إلى 10 سنوات". "ربما أسرع".

على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير من الأبحاث التي يتعين القيام بها ، فإن نجاح Chong في توليد الروائح عن طريق تحفيز الدماغ يفتح إمكانيات مثيرة للاهتمام للتطبيقات الطبية. يعمل علماء الرؤية منذ سنوات على بناء شبكية اصطناعية تسمح للمكفوفين بالرؤية عن طريق إرسال إشارات مباشرة إلى أدمغتهم ، متجاوزة أي جزء غير وظيفي من العين أو العصب البصري. قد تتاح الفرصة لباحثو الشموع الآن للعمل من أجل شفاء فقر الدم ، أو فقدان الرائحة ، والذي يمكن أن يحدث بسبب العلاج الكيميائي ، ومرض باركنسون ، وحتى Covid-19 ، بين مجموعة من أمراض أخرى. من الناحية النظرية ، يمكن للناس أن يستعيدوا حاسة الشم ذات يوم بفضل جهاز مزروع مباشرة في دماغهم.

يقترح داتا: "تخيل أنك تبني أنفًا اصطناعيًا". "ما هو نموذج النشاط الذي ينبعث منه هذا الأنف الاصطناعي لإعادة إنتاج الرائحة بالطريقة الأكثر إقناعا؟" بالنسبة إلى داتا ، يأخذ عمل تشونغ خطوة أولى نحو الإجابة على هذا السؤال.

على الرغم من أنوف الأنف لا تزال بعيدة ، فإن عمل تشونغ لا يزال يمثل تقدمًا كبيرًا في هذا المجال ، كما يقول داتا. يقول: "نحن لا نفهم حقًا المبادئ الأساسية وراء كيفية ترميز الدماغ للمعلومات حول الروائح". "يستفيد هذا العمل حقًا من التقدم التكنولوجي للاقتراب من نوع من الإجابة حول كيف يمكن للدماغ ترميز المعلومات حول الروائح التي نلتقي بها في العالم".
محتوى الموضوع