رسم خرائط المشابك لتخصيص العلاجات الدوائية يشهد اختراقًا

يوجد ما يصل إلى 86 مليار خلية عصبية في دماغ الإنسان. تُنشئ تريليونات من الاتصالات المشبكية، حيث يتصل كل عصبون بعصبونات أخرى لتكوين شبكة معقدة. 

من خلال الإشارات المشبكية يتواصل العصبونات مع بعضها البعض عند المشابك، وهي نقاط التقاء يمكن للعصبونات من خلالها تنشيط أو تثبيط عصبونات أخرى. 

الاتصال المشبكي، في الوقت نفسه، هو نقطة التقاء بين العصبونات حيث يتواصلون مع بعضهم باستخدام إشارات كهربائية وكيميائية. إن رسم خرائط الاتصالات المشبكية هو عملية تحديد كيفية اتصالهم بعضهم البعض ومدى قوة هذه الاتصالات. يُعتقد أن بنية هذه الاتصالات تحدد وظيفة الدماغ، مما يجعل هذه العملية ذات أهمية بالغة. 

ومع ذلك، فإن رسم وتوصيف الاتصالات المشبكية يمثل تحديًا مفتوحًا. حاليًا، نحن مقيدون برسم بضع مئات فقط من الاتصالات المشبكية. ومع ذلك، فقد وسّع أحدث دراسة من باحثي هارفارد ذلك إلى أكثر من 70,000 بدقة، مما يجعلهااختراقًا كبيرًا في مجال علم الأعصاب، وخاصة تسجيل الخلايا العصبية.

تم تحقيق رسم وتوثيق هذا النطاق من خلال حوالي 2,000 عصبون فأر بمساعدة رقاقة سيليكون مزودة بأقطاب ميكروثقب يمكنها اكتشاف إشارات مشبكية صغيرة ولكن ملحوظة في آن واحد.

يمكن لهذا التقدم أن يساعدنا في إنشاء خريطة مفصلة للاتصالات المشبكية ويسمح لنا بفهم أفضل لكيفية اتصال العصبونات وتواصلها.

الدراسة بعنوان “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” تم نُشرت¹ في مجلة Nature Biomedical Engineering هذا الشهر.

إن التوازي في تسجيل داخل الخلية العصبية على نطاق واسع، وفقًا للدراسة، يمثل تحديًا كبيرًا يجب التغلب عليه لأنه يتيح قياس الإشارات المشبكية عبر شبكة عصبية، مما يسمح بدوره برسم الخرائط وتوصيف الاتصالات المشبكية.

توسيع تسجيل الخلايا العصبية باستخدام ابتكار رقاقة متقدمة

من أجل تصور الهياكل المشبكية، ثبت أن المجهر الإلكتروني (EM) فعال للغاية، لكنه لا يستطيع قياس قوة اتصالات العصبونات. هذا يحد من قدرة التقنية على شرح وظائف الشبكات العصبية.

هنا يأتي تسجيل الباتش-كلامب، حيث يقدم تقنية أكثر دقة لدراسة النشاط المشبكي لأنه يمكنه اختراق العصبونات الفردية والتقاط حتى الإشارات الضعيفة بحساسية عالية.

حصل العلماء إرفين نهير وبيرت ساكمان على جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب عام 1991 بفضل تقنية الباتش-كلامب. أثبت الجهاز التجريبي وجود ووظيفة قنوات الأيونات في أداء مهام مهمة في الخلايا الحية مثل انقباض العضلات ونقل النبضات العصبية. كما سمحت التقنية بتعريف الخصائص الرئيسية للقنوات بدقة متناهية.

في حين أن هذه الطريقة يمكن أن تساعد الباحثين على تحديد وقياس قوة الاتصالات، كان العلماء يواجهون صعوبة في تسجيل الإشارات داخل الخلية من أكثر من عدد قليل من العصبونات في آن واحد حتى الآن.

بقيادة المؤلف المشارك الرئيسي دونهي هام، أستاذ الهندسة والعلوم التطبيقية في كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS)، قام الباحثون من هذا القسم، بالإضافة إلى قسم الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية بجامعة هارفارد، بتصميم رقاقة متقدمة.

بدقة أكبر، بنى الفريق مصفوفة من 4,096 قطب ميكروثقب على رقاقة. نفذت هذه الأداة تسجيلًا داخل الخلية متوازيًا على نطاق واسع لحوالي 2,000 عصبون فأر.

هذا وفر للباحثين بيانات وفيرة عن الإشارات المشبكية، ومن خلالها استخلصوا أكثر من 70,000 اتصال مشبكي.

في الواقع يبني على الجهاز الرائد الذي طوره الفريق قبل عدة سنوات. في ذلك الوقت، كانت مصفوفة من 4,096 قطب إبرة نانوية عمودية تبرز من رقاقة سيليكون ذات تصميم دائرة متكاملة مماثل.

تميزت الرقاقة الإلكترونية بمصفوفة كثيفة من الأقطاب النانوية المغطاة بمسحوق البلاتين (لتحسين قدرة نقل الإشارة) الواقفة عموديًا على سطحها.

على تلك الأداة، يمكن للعصبون أن يلتف حول الإبرة للسماح بتسجيل داخل الخلية، مع توازي ذلك عبر عدد كبير من الأقطاب. في ذلك الوقت، تمكن الفريق من تسجيل أكثر من 1,700 عصبون فأر ورسم أكثر من 300 اتصال مشبكي.

كانت الأرقام المحققة قياسية، لكن الفريق شعر بأنه يمكن تحسينها أكثر، وبالتالي جاءت الدراسة الأخيرة.

انقر هنا لمعرفة ما إذا كانت الميمريستورات هي المفتاح لتقليد دماغ الإنسان.

ثورة في تسجيل داخل الخلية لتخطيط الاتصال

بدعم من معهد سامسونج المتقدم للتكنولوجيا التابع لسامسونج للإلكترونيات، صمم الفريق وصنع مصفوفة أقطاب ميكروثقب من البلاتين/البلاك البلاتيني على رقاقة CMOS (المكمل لأشباه الموصلات المعدنية-الأكسيد). 

المصفوفة تم تشغيلها لفتح الخلايا بلطف عن طريق حقن تيارات صغيرة عبر الأقطاب لتوازي تسجيلها داخل الخلية.

وفقًا للمؤلف المشارك الرئيسي والباحث السابق وُو-بين جونغ، وهو الآن عضو هيئة تدريس في جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية، فإن الإلكترونيات المتكاملة في رقاقة السيليكون “تلعب دورًا مهمًا بقدر دور قطب الميكروثقب، حيث توفر تيارات لطيفة بطريقة معقدة للحصول على وصول داخل الخلية، وتسجيل الإشارات داخل الخلية في الوقت نفسه”.

تصميم الميكروثقب المستخدم هنا، في الوقت نفسه، مشابه لقطب الباتش-كلامب. لهذه الأقطاب الميكروثقب فائدتان رئيسيتان:

1. إنها أسهل بكثير في التصنيع
2. إنها تتصل بداخل العصبونات بشكل أفضل من أقطاب الإبرة النانوية العمودية التي استخدمها الفريق سابقًا

“سهولة الوصول هذه هي ميزة مهمة أخرى في عملنا.”

– جون وانغ، باحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف المشارك 

بهذا التصميم الجديد، تمكن الفريق من تحقيق نتائج رائعة. في المتوسط، 90٪ من أقطاب الميكروثقب (أكثر من 3,600 من أصل 4,096) تم دمجها داخل الخلية، مما ساعد الفريق على استخراج 70,000 اتصال مشبكي محتمل منها، وهو أكثر بكثير من الـ300 التي تم الحصول عليها باستخدام مصفوفة أقطاب الإبرة النانوية.

لم يحصل الفريق فقط على نتائج كمية بل حقق أيضًا جودة في بيانات التسجيل الخاصة بهم، مما مكنهم من تصنيف الاتصالات المشبكية وفقًا لقوتها وخصائصها.

تم توثيق الاتصالات المشبكية إلى اتصالات مشبكية كهربائية، وإلى اتصالات مشبكية استثنائية/قوية محفزة، وإلى اتصالات مشبكية ضعيفة/غير محفزة، وإلى اتصالات مشبكية كيميائية مثبطة، مع معدل خطأ تقديري يبلغ 5٪. 

وفقًا للدراسة، فإن رسم خرائط الاتصال المشبكي على هذا المستوى الواسع، بالإضافة إلى القدرة على تحديد الاتصالات المشبكية، يمثل خطوة كبيرة نحو رسم خرائط الاتصال الوظيفي لشبكات عصبية واسعة النطاق.

في نسختهم السابقة، استخدم الباحثون الرقاقة عالية الأداء لحساب تأثيرات الأدوية على الاتصالات المشبكية. في ذلك الوقت، صرح الفريق أنهم كانوا يبنون نظامًا على مستوى الرقاقة لاختبار الأدوية للأمراض العصبية مثل الإدمان، والتوحد، ومرض الزهايمر، ومرض باركنسون، والفصام.

يمكن أن يوفر رسم خرائط الشبكة المشبكية البيولوجية أيضًا استراتيجية جديدة للذكاء الاصطناعي لبناء شبكات عصبية اصطناعية من الجيل التالي ومعالجات نمطية عصبية.

الآن بعد أن حصل الفريق على رؤى حول الاتصالات المشبكية من الكم الهائل من البيانات التي حصلوا عليها من التسجيل داخل الخلية المتوازي، فإنهم “يعملون على تصميم أحدث يمكن نشره في دماغ حي.”

انقر هنا لمعرفة كيف يدمج الذكاء الاصطناعي وعلم الأعصاب فك تشفير دماغ الإنسان.

التقدم في رسم خرائط الدماغ وتكنولوجيا الأعصاب

تُعد مثل هذه الدراسات حاسمة في تعميق فهمنا للاتصالات المشبكية المعقدة في الدماغ، حيث تكشف ليس فقط عن تعقيد التفاعلات العصبية بل وتوفر أساسًا للبحوث المتقدمة في رسم خرائط الدماغ، وهو أحد التطورات المثيرة التي تشكل مستقبل أبحاث الدماغ.

الدماغ، في النهاية، هو هيكل مثير لكنه معقد، مما يجعله مجالًا يزداد اهتمام الباحثين والمؤسسات به. ومن المثير للاهتمام، كلما درسنا دماغنا وتعرفنا عليه أكثر، كلما أصبح أكثر تعقيدًا. كما أشار جيف لايتشمان، أستاذ علم الأحياء الجزيئية والخلوية في هارفارد، فإن مجرد وصف الطبيعة كشف عن:

“[أن الدماغ] أكثر تعقيدًا مما كنا نعتقد”

لأكثر من عقد من الزمن، كان لايتشمان يدرس منطقة محددة (مكعب مليمتر واحد) من قشرة المخ لإنشاء خريطة مفصلة للاتصالات في دماغ الإنسان. في أواخر العام الماضي، مجلة هارفارد ذكرت تحليلها لاكتشاف أن الخلايا الدبقية التي تدعم وتحمي العصبونات تهيمن عليها بنسبة 2 إلى 1. ومع ذلك، لا يزال لا يوجد تفسير لذلك.

هو وزملاؤه لاحظوا أيضًا عددًا قليلًا من الاتصالات القوية جدًا مع العديد من المشابك لكل خلية للسماح للمعلومات بالتدفق عبر الدماغ بسرعة كبيرة، وهو ما، وفقًا لهم، “ربما… ما هي الذكريات”.

لهذا، استخدموا نسيجًا من الفص الصدغي لامرأة وقاموا بتقطيعه إلى أكثر من 5,000 شريحة، تم مسح كل واحدة منها باستخدام مجهر إلكتروني متعدد الأشعة مصمم خصيصًا بدقة عالية جدًا. 

ثم بنى باحثو جوجل طرقًا جديدة للتعلم العميق لتحديد العناصر في كل من هذه الشرائح ودمجها لإنشاء مساحة ثلاثية الأبعاد. العينة بحجم البذرة التي صوروها احتوت 57,000 خلية، و230 مليمترًا من الأوعية الدموية، و150 مليون مشبك.

يهدف لايتشمان بعد ذلك إلى رسم خريطة دماغ فأر كامل، حيث إن القيام بذلك مع دماغ الإنسان غير ممكن بعد. في الوقت نفسه، فريق من العلماء من برينستونقام برسم خريطة دماغ ذبابة الفاكهة البالغة. 

سابقًا، قام الباحثون برسم خريطة دماغ ذبابة اليرقة التي تحتوي على 3,000 عصبون، لكن ذبابة الفاكهة البالغة لديها ما يقرب من 140,000 عصبون وعشرات الملايين من المشابك التي تربط بينها. تم بناء الخريطة باستخدام 21 مليون صورة من دماغ ذبابة الفاكهة ونموذج ذكاء اصطناعي. بمساعدة هذه الخريطة، يهدف الباحثون إلى تقديم إجابات حول أي العصبونات مسؤولة عن أي سلوكيات.

الدماغ البشري، كما صرح جون نغاي، مدير مبادرة BRAIN التابعة للمعاهد الوطنية للصحة الأمريكية، “أقوى من أي حاسوب من صنع الإنسان”، وفي كثير من النواحي، “مع ذلك، لا نزال في الغالب لا نفهم المنطق الأساسي له”. 

وإذا لم يكن لدينا “فهم مفصل لكيفية اتصال العصبونات بعضها البعض، فلن يكون لدينا فهم أساسي لما يحدث بشكل صحيح في دماغ سليم أو ما يحدث بشكل خاطئ في المرض”.

هذا هو السبب في تزايد التركيز على محاولة رسم خرائط أدمغتنا. قام العلماء في معهد أبحاث مركز صحة جامعة ماكغيل فعليًا بتطبيق طريقة تسمى “optomapping” هذا الشهر لتسريع دراسة العصبونات بشكل كبير.

 لقد اختبر الفريق بالفعل أكثر من 30,000 اتصال مرشح ووصف حوالي 1,800 مشبك في قشرة الدماغ البصري للفأر. 

تشمل الاكتشافات الرئيسية التي تم تحقيقها باستخدام optomapping أنماط اتصال فريدة على أنواع مختلفة من العصبونات المثبطة، مما يتحدى ما كنا نعرفه عن عملية تدفق المعلومات في طبقات الدماغ القشرية. كما أظهروا التوازن الدقيق لأنماط التواصل في الدماغ، حيث تقوم بعض الاتصالات بتضخيم الإشارات والبعض الآخر بتهدئتها. 

علاوة على ذلك، لاحظوا اختلالًا في طريقة تنشيط الأنواع المختلفة من العصبونات، مما يمكن أن يساعد في حالات مثل التوحد والصرع. من خلال تحديد التغييرات، يمكن أن يؤدي Optomapping إلى علاجات أكثر استهدافًا وفعالية.

من المثير للاهتمام، هذا الشهر، عملاق التكنولوجيا Meta Platforms (META ) أعلن أنه قد طور جهازًا يتيح للناس إنتاج نص بمجرد التفكير. لهذا، تم استخدام ماسح دماغي ونموذج ذكاء اصطناعي يُدعى Brain2Qwerty اُستخدم لفك تشفير اللغة من الدماغ دون جراحة.

ومع ذلك، فإن فرص تحويل المنتج إلى تجاري منخفضة جدًا بسبب عدة قيود. على سبيل المثال، فإن الماسح المغناطيسي للدماغ (MEG) المستخدم لاكتشاف الإشارات المغناطيسية كبير جدًا، يزن حوالي نصف طن، ومكلف، حيث يكلف 2 مليون دولار. كما أنه يعمل فقط في غرفة محمية لتقليل المجال المغناطيسي للأرض. 

لكن هذا يمكن بالتأكيد أن يساعد في تعزيز فهمنا للدماغ البشري والاتصال.

“محاولة فهم البنية الدقيقة أو مبادئ الدماغ البشري يمكن أن يكون وسيلة لـإبلاغ تطوير الذكاء الاصطناعي. هذا هو المسار.”

– قائد فريق دماغ & الذكاء الاصطناعي في Meta، جان-ريمي كينغ، قال لمجلة Tech Review.

تظهر النتائج أن النظام يمكنه اكتشاف المفاتيح التي يضغط عليها كاتب “ماهر” بدقة تصل إلى 80٪. وعلى الرغم من عدم كماله، قال الباحثون إنه دقيق بما يكفي لتكوين جمل كاملة من إشارات الدماغ.

هذه التطورات التي تأتي من شركة ذات قيمة سوقية تبلغ 1.76 تريليون دولار، والتي تنشط أساسًا في وسائل التواصل الاجتماعي والذكاء الاصطناعي، قد تبدو مفاجئة للبعض، لكن Meta شاركت في أبحاث تكنولوجيا الأعصاب لسنوات عديدة الآن.

أيضًا، على عكس الشركات التي تنشط فقط في مجال تكنولوجيا الأعصاب، فإن Meta شركة مربحة، مما يعني أنها يمكنها الاستثمار في الأبحاث ذات الصلة دون القلق بشأن الموارد.

للتوضيح، أبلغت الشركة مؤخرًا عن نتائج الربع الرابع، التي أظهرت زيادة بنسبة 21٪ على أساس سنوي في الإيرادات لتصل إلى 48.39 مليار دولار. بعد كل شيء، استخدم متوسط 3.35 مليار شخص نشط يوميًا (DAP) منتجاتها. خلال هذه الفترة، سجلت Meta تكاليف ونفقات بقيمة 25.02 مليار دولار ونفقات رأس مال بقيمة 14.84 مليار دولار، بينما كان التدفق النقدي الحر 13.15 مليار دولار، وكان النقد وما يعادله والأوراق المالية القابلة للتسويق 77.81 مليار دولار. كما أعلنت عن استثمار يتراوح بين 60 إلى 65 مليار دولار في الذكاء الاصطناعي هذا العام.

الشركات التي تدفع هذا المجال قدمًا

الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات العامة البارزة التي تحقق تقدمًا كبيرًا في هذا المجال.

1. Neuronetics, Inc.

تطور هذه الشركة المتخصصة في التكنولوجيا الطبية منتجات للمرضى الذين يعانون من اضطرابات الصحة العصبية. نظام NeuroStar Advanced Therapy هو علاج غير جراحي يستخدم التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) لتحفيز المناطق في الدماغ المرتبطة بالمزاج. يُستخدم لعلاج المرضى البالغين الذين يعانون من اضطراب الاكتئاب الرئيسي (MDD). 

بقيمة سوقية تبلغ 267 مليون دولار، يتم تداول أسهم STIM بسعر 4.80 دولار في وقت كتابة هذا النص، بارتفاع هائل قدره 198.14٪ على أساس سنوي. ربح السهم (EPS) (TTM) هو -1.22، ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هو -3.94.

في الربع الثالث من عام 2024، أبلغت Neuronetics عن إيرادات قدرها 18.5 مليون دولار، وخسارة صافية قدرها 13.3 مليون دولار، وانخفاض في الوضع النقدي إلى 20.9 مليون دولار من 59.7 مليون دولار في نهاية عام 2023. خلال هذه الفترة، قامت الشركة بشحن 48 نظام NeuroStar في الولايات المتحدة، وبلغت إيراداتها 4.1 مليون دولار، بينما ارتفعت جلسات العلاج بنسبة 2٪. 

كما استحوذت Neuronetics على Greenbrook TMS ، التي من المتوقع أن تسرع طريقها إلى الربحية، وفقًا للرئيس التنفيذي كيث ج. سوليفان.

وفقًا لنتائج الربع الرابع الأولية، تُقدر إيرادات Neuronetics للربع الرابع بحوالي 22.1 مليون دولار و74.5 مليون دولار للعام الكامل 2024. ومع ذلك، فقد أعلنت توقعات أفضل لهذا العام، مع إيرادات إجمالية تتراوح بين 145 مليون و155 مليون دولار وتدفق نقدي إيجابي في الربع الثالث.

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation   

تطور هذه الشركة المتخصصة في التكنولوجيا الطبية حلولًا قليلة التوغل لتحفيز الدماغ، وتسجيل EEG، وحلول الإزالة للمرضى الذين يعانون من اضطرابات عصبية مثل الصرع، والخلل الحركي، والرعشة، ومرض باركنسون، والألم المزمن.

تشمل منتجاتها تقنية أقطاب Evo القشرية للتسجيل والمراقبة وتحفيز نسيج الدماغ. 

ثم هناك نظام OneRF للإزالة لإنشاء “آفات تردد راديوي في النسيج العصبي لإجراءات جراحة الأعصاب الوظيفية”. وقد حصلت NeuroOne بالفعل على موافقة إدارة الغذاء والدواء (FDA) لنظام OneRF Ablation، مما يجعلها الأولى والوحيدة التي تحصل عليها لكل من تقارير النشاط الكهربائي وإزالة النسيج العصبي.

بقيمة سوقية تبلغ 34.56 مليون دولار، يتم تداول أسهم NMTC حاليًا بسعر 1.12 دولار، بارتفاع 35.61٪ على أساس سنوي. ربح السهم (EPS) (TTM) هو -0.27، ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هو -4.21.

في الربع الأول من السنة المالية 2025، أبلغت الشركة عن إيرادات منتجات قدرها 3.3 مليون دولار وربح إجمالي للمنتجات قدره 1.9 مليون دولار مع انخفاض النفقات التشغيلية. وحتى 31 ديسمبر 2024، كان لديها نقد وما يعادله بقيمة 1.1 مليون دولار، وهو أقل من 1.5 مليون دولار التي كانت لديها في 30 سبتمبر 2024.

الخلاصة

تُعد الاختراقات في الأبحاث المتعلقة بالدماغ أمرًا حاسمًا لتقدم البشرية. في النهاية، هو أهم عضو لدينا، يتحكم في كل وظيفة تقريبًا، من التفكير والذاكرة والعاطفة إلى الحركة والرؤية والسمع. لذلك، فإن الحصول على فهم أعمق للدماغ ضرورة، وتُعد الأبحاث الأخيرة التي تُحرز تقدمًا في رسم خرائط الاتصال المشبكي على نطاق واسع خطوة مهمة في فك تشفير فقط كيفية تفاعل العصبونات وتواصلها.

مع استمرار صقل هذه التطورات، يمكنها تمهيد الطريق لفهم أعمق لوظائف الدماغ، والمساعدة في استراتيجيات علاجية جديدة للحالات المعقدة، وإحداث ثورة في أبحاث الأعصاب.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم شركات الأدوية الكبرى.

مرجع الدراسة:

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5