توفر النماذج العصبية الفيزيائية الحيوية التفصيلية نافذة فريدة على عمل الخلايا العصبية الفردية. إنها تمكن الباحثين من التعامل بشكل منهجي وعكسي مع الخصائص العصبية التي غالبا ما تكون مستحيلة في تجارب العالم الحقيقي.
لعبت هذه النماذج الإلكترونية دورًا رئيسيًا في تعزيز فهمنا لكيفية تأثير مورفولوجيا الخلايا العصبية على الاستثارة وكيف تساهم التيارات الأيونية المحددة في وظيفة الخلية. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تلعب دورًا مهمًا في بناء الدوائر العصبية لمحاكاة ودراسة نشاط الدماغ، مما يمنحنا لمحة عن الرقصة المعقدة للخلايا العصبية التي تدعم أفكارنا وأفعالنا.
إن إنشاء نماذج إلكترونية دقيقة تكرر الملاحظات التجريبية بأمانة ليس بالمهمة السهلة. وهذا يتطلب قياس التشابه بين استجابات النموذج والسلوك الفيزيولوجي الكهربي الفعلي، وهو أمر يمثل تحديًا عندما لا يمكن قياس المعلمات مثل توصيل القناة الأيونية وخصائص الغشاء السلبي بشكل مباشر. غالبًا ما يتطلب تحقيق درجات تشابه عالية استكشافًا مكثفًا لمساحة المعلمة، وهو أمر شاق ويستغرق وقتًا طويلاً.
ولمواجهة هذه التحديات، لجأ الباحثون إلى الخوارزميات التطورية (EAs) للحصول على المساعدة. تعد الخوارزميات التطورية أدوات فعالة لتحسين المعلمات العالمية في المساحات عالية الأبعاد. ومن بينها، تتمتع الخوارزمية التطورية القائمة على المؤشرات (IBEA) بإمكانات كبيرة في هذا الصدد. ومع ذلك، لا يزال هذا المجال يفتقر إلى مصادر مفتوحة بالكامل وسير عمل تحسين النماذج القابلة للتكرار.
في الدراسة الجديدة، التي ظهرت على غلاف عدد نوفمبر من مجلة Patterns، يقترح مشروع BlueBrain سير عمل مشتركًا رائدًا لإنشاء نماذج عصبية مفصلة والتحقق من صحتها وتعميمها. يعتمد هذا النهج على أدوات مفتوحة المصدر، مع توفر جميع الخطوات مجانًا، مما يوفر للباحثين حلاً شاملاً لبناء نماذج عصبية يمكن أن تمثل إما خلايا بيولوجية فردية أو أنواع خلايا محددة مسبقًا.
إحدى الميزات الفريدة لسير العمل هذا هي القدرة على بناء ما يسمى بنماذج الخلايا العصبية الأساسية. يوضح فيرنر فان جيت، قائد مجموعة BBP: "ما قمنا بإنشائه ليس نموذجًا مخصصًا لخلايا عصبية فردية، ولكنه نموذج يمثل نوعًا كاملاً من الخلايا العصبية. وهذا النهج مفيد بشكل خاص عند دراسة خصائص أنواع معينة من الخلايا العصبية وبناء دوائر عصبية كبيرة".
في هذه الدراسة، طبق المؤلفون سير عمل لإنشاء 40 نموذجًا تمثل 11 نوعًا كهربائيًا (e-types) في القشرة الحسية الجسدية لدى الفئران الصغيرة، وهي منطقة القشرة الدماغية المسؤولة عن معالجة المعلومات الحسية المتعلقة باللمس والضغط ودرجة الحرارة والألم من أجزاء مختلفة من الجسم. تم تحسين كل نموذج استنادًا إلى مجموعة من الميزات الفيزيولوجية الكهربية لضمان التطابق الوثيق مع البيانات التجريبية. ثم تم اختبار هذه النماذج النموذجية على أشكال مختلفة لتقييم عموميتها.
ومن خلال تحليل المعلمات المستخدمة في هذه النماذج، اكتسب العلماء نظرة ثاقبة لخصائصها الفيزيائية الحيوية. "يساعد تحليل الحساسية في الكشف عن المعلمات المهمة لأداء النموذج وأي المعلمات يمكن تغييرها دون التأثير على النتائج"، يؤكد المؤلف المشارك الأول كريستيان روسيرت. "هذا الفهم الأعمق يقطع شوطا طويلا نحو تحسين إنشاء النموذج."
في حين أن هذا النهج قوي، يشير المؤلفون إلى بعض القيود الحالية. هناك أنواع معينة من الخلايا العصبية تعمم بشكل جيد عبر الأشكال، بينما تواجه أنواع أخرى صعوبة. إن فهم سبب أداء بعض النماذج بشكل أفضل في أشكال محددة هو مجال للبحث المستمر. علاوة على ذلك، فإن إنشاء نموذج أساسي واحد يعني تجاهل بعض التباين في الخلايا العصبية الحقيقية. ولحل هذه المشكلة، يستطيع علماء الأعصاب إنشاء نماذج متعددة بناءً على نفس المدخلات، وإدخال التنوع لتمثيل التنوع في العالم الحقيقي.
لاحظت ماريا ريفا، المؤلفة المشاركة الأولى: "تعتمد مجموعة النماذج الإلكترونية المقدمة هنا على قياسات كهربائية من تسجيلات المشبك التصحيحي للجسم الرئيسي للخلية العصبية. في الإصدارات المستقبلية، يمكن إثراء هذه النماذج بمزيد من التفاصيل، مثل التكامل المتشابك والتغصني والتيارات الأيونية الإضافية. ستقربنا هذه التحسينات من فهم وظيفة الخلايا العصبية."