كيف يحسب دماغ الذبابة موقعها في الفراغ؟

حققت دراسة جديدة خطوات كبيرة في حل لغز كيفية حساب دماغ الذبابة لاتجاه حركتها ، عندما يشير الرأس في اتجاه ما ويتحرك الجسم في اتجاه آخر.

هناك العديد من التحديات التي تعيق حركة الذبابة كما هو مخطط لها ، لذلك لديها تقنية معينة تسمح لها بالتحليق عندما تعكس الرياح حركتها للأمام. تواجه الحيوانات الأخرى تحديات مماثلة: تسبح الأسماك مقابل النهر ، وتتحرك السرطانات بسرعة جانبية ، وحتى البشر يمكنهم الانعطاف يسارًا أثناء النظر إلى اليمين.

في دراسة جديدة ، وجد الباحثون أن دماغ الذبابة يحتوي على مجموعة من الخلايا العصبية التي تتحكم في الاتجاه الذي يتحرك فيه الجسم ، بغض النظر عن الاتجاه الذي يشير إليه الرأس. تفصل نتائج الدراسة حساب هذه الإشارة بواسطة الدماغ ، باستخدام المعلومات الحسية الأساسية المتلقاة.

قال جابي ميمون ، عالم الأعصاب في جامعة روكفلر: “لا تشير هذه الخلايا العصبية فقط إلى الاتجاه الذي سيتحرك فيه الجسم ، ولكنها تفعل ذلك في إطار مرجعي حول العالم المحيط”.

قال تشنغ ليو ، أول من بحث: “لقد وجدنا أن هذه الحشرات تحول المدخلات الحسية المرتبطة بالجسم إلى إشارات تتعلق بالعالم المحيط بحيث تعرف الذبابة أنها تتحرك ، على سبيل المثال ، 90 درجة إلى اليمين أو اليسار”. . مؤلف وطالب دراسات عليا في مختبر ميمون.

حتى عندما نغلق أعيننا أو نكون في الظلام ، لا نزال قادرين على تحديد مكان وجودنا في الغرفة وإلى أين نتجه ، لأن أدمغتنا تشكل وعينا الذاتي بموقفنا في الفضاء.

في الثمانينيات ، اكتشف العلماء مجموعة من الخلايا المعروفة باسم خلايا التوجه الرأسي ، والتي تلعب دورًا رئيسيًا في تحديد الاتجاه الزاوي ، وقد اكتشفوا مؤخرًا خلايا لها وظيفة مماثلة في الذباب. يحدد نشاط هذه الخلايا الزاوية التي يشير إليها الرأس ، على غرار الطريقة التي تحدد بها إبرة البوصلة الاتجاه في البيئة.

الأشياء مستقرة بينما نسير في نفس اتجاه الرأس ، والأمر نفسه ينطبق على الذبابة ، تحدد الخلايا الرأسية المعلومات الحسية الداخلية حول الاتجاه الذي يسير فيه الجسم ، ولكن عندما نسير في اتجاه واحد وفي اتجاه آخر ، مثل المشي شمالًا والنظر إلى الشرق ، أو إذا كانت الذبابة تطير إلى الأمام ، حيث تدفعها الرياح للخلف ، ستشير الخلايا الرأسية إلى الاتجاه الخاطئ.

ومع ذلك ، لا يزال النظام يعمل ، ولا يزال بإمكان الذباب الطيران ، ولا ينحني في تيارات الرياح ، ولا يضيع الناس عندما يستديرون لمشاهدة المناظر الطبيعية من حولهم. تساءل الباحثون كيف ستعرف الذبابة الاتجاه الذي يجب أن تسلكه ، حتى لو كانت خلايا الاتجاه الرأسي ترسل معلومات غير صحيحة كما هو متوقع.

للإجابة على هذا ، وضع ليو مقاليد مصغرة على رؤوس ذباب الفاكهة ، وأطلقوا أجنحتهم للتحرك بحرية في بيئة افتراضية ، وسجلوا نشاط أدمغتهم أثناء تحركهم ، ووضعوا إشارات بصرية مختلفة ، بما في ذلك ضوء ساطع يمثل الشمس و مجال من النقاط الخافتة لإعطاء الذبابة الشعور بأنها تدفع من الخلف أو من الجانب.

كما هو متوقع ، حددت خلايا التوجيه الرئيسية اتجاه حركة الذبابة نحو الشمس ، محفزًا بالضوء الساطع واستنادًا إلى حركة نقاط الضعف. بالإضافة إلى مجموعة الخلايا الرأسية الاتجاهية ، اكتشف الباحثون مجموعة جديدة من الخلايا العصبية التي تتحكم في المسار الذي سلكته الذبابة والاتجاه الذي تشير إليه الرؤوس.

على سبيل المثال ، إذا كان الذباب يطير مباشرة نحو الشمس – إلى الشرق – بينما كانت الرياح تدفعهم للخلف ، فإن هذه الخلايا تشير إلى أن الذباب كان في الواقع يتجه غربًا ، العالم من حوله.

ظل حساب الفريق لاتجاه الحركة على المستوى الخلوي سؤالًا للفريق للتوصل إلى إجابة. تعاون ليو ومايمون مع المنظر لاري أبوت من معهد زوكرمان بجامعة كولومبيا ، واكتشفا أن دماغ الذبابة هو نوع من الحسابات الرياضية.

تتم دراسة مسار حركة الأجسام في الفيزياء عن طريق تقسيمها إلى مكونات حركة وتمثيلها في مخطط إحداثيات ، وبالمثل في دماغ الذبابة ، ينقسم مسار حركة الذبابة – التي تحددها أربع مجموعات من الخلايا العصبية الحساسة للحركة البصرية – إلى أربعة محاور الحركة ، تمثل كل مجموعة عصبية متجهًا رياضيًا ، تشير زاويته إلى اتجاه محوره ، ويشير الطول إلى سرعة طيران الذبابة في هذا الاتجاه.

يقول ميمون: “تقوم الدائرة العصبية في دماغ الذبابة بتدوير هذه المحاور الأربعة حتى تتماشى مع زاوية الشمس ، ثم تجمعها مع بعضها البعض ، ونتيجة لذلك ، تشير الحزمة الخارجية إلى اتجاه حركة الذبابة نحو الشمس”. .

الرياضيات المتجهية هي أكثر من مجرد تمثيل لحساب التفاضل والتكامل. يقوم دماغ الذبابة حرفيا بإجراء عمليات حسابية شعاعية ، حيث أن مجموعات الخلايا العصبية في هذه الدائرة تمثل بوضوح ناقلات مثل موجات الحركة. يعبر اتجاه الموجة عن زاوية المتجه ويعبر الارتفاع عن الطول. لاختبار هذه الفيرال ، قام الباحثون بتعديل أطوال النواقل الأربعة الواردة بعناية ، ووجدوا أن المتجه الخارج يتغير كما لو كان الذباب يجمع المتجهات بالفعل.

يقول ميمون: “لدينا الآن حجة قوية مفادها أن ما يفعله دماغ الذبابة هو تطبيق واضح لرياضيات المتجهات ، وقد أظهرت هذه الدراسة دليلًا واضحًا على أن الدوائر العصبية تؤدي العمليات الحسابية بدقة نسبيًا ، مما جعل الدراسة فريدة”.

أظهر البحث كيف يعرف الذباب الاتجاه الذي يسير فيه في أي وقت ، وستدرس الأبحاث المستقبلية كيف تتبع هذه الحشرات مسار حركتها بمرور الوقت لمعرفة وجهتها النهائية.

يقول ليو: “يظل هدفنا الرئيسي هو معرفة كيفية دمج الدماغ للإشارات المتعلقة باتجاه وسرعة حركة الحيوان بمرور الوقت لتكوين الذكريات”. يمكن للباحثين استخدام النتائج التي توصلنا إليها كنهج لدراسة كيفية عمل الذاكرة العاملة في الدماغ “.

يمكن تطبيق نتائج الدراسة على الأمراض التي تصيب الإنسان ، على سبيل المثال لأن الضبابية المكانية هي علامة مبكرة على مرض الزهايمر ، ويحاول أطباء الأعصاب فهم كيف يخلق الدماغ إحساسًا داخليًا بالفضاء المحيط به. أوضح ميمون أن مخيخ هذه الحشرات لديها معرفة واضحة باتجاه حركتها ، مما دفع العلماء للبحث عن إشارات وعمليات مماثلة في دماغ الثدييات.

هذه النتيجة مفيدة في الكشف عن جوانب الخلل الوظيفي لمرض الزهايمر والاضطرابات العصبية الأخرى التي تؤثر على الإدراك المكاني.

اقرأ أيضًا:

صورة ثلاثية الأبعاد تكشف عن الخلايا العصبية المخفية في دماغ ذبابة الفاكهة

الإنجاز الرئيسي: يبطئ علماء الأحياء شيخوخة ذباب الفاكهة ويطيلون حياتهم

ترجمة: هادي سلمان قاجو

تحرير: منال توفيق الضالع