الرياضيات و كهرباء المخ

الرياضيات و كهرباء المخ

مصر: ايهاب محمد زايد

دراسة توضح أن الرياضيات البسيطة تتنبأ بالنشاط الكهربائي في الدماغ

من خلال شبكة واسعة من الألياف العصبية ، تنتقل الإشارات الكهربائية باستمرار عبر الدماغ. هذا النشاط المعقد هو ما يؤدي في النهاية إلى نشوء أفكارنا وعواطفنا وسلوكياتنا – ولكن ربما أيضًا إلى مشاكل الصحة العقلية والعصبية عندما تسوء الأمور.

تحفيز الدماغ هو علاج جديد لمثل هذه الاضطرابات. سيؤدي تحفيز منطقة من دماغك بنبضات كهربائية أو مغناطيسية إلى إطلاق سلسلة من الإشارات عبر شبكة اتصالاتك العصبية.

ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، العلماء ليسوا متأكدين تمامًا من كيفية انتقال هذه الشلالات للتأثير على نشاط عقلك ككل – قطعة مهمة مفقودة تحد من فوائد علاجات تحفيز الدماغ.

في بحثنا الأخير المنشور في Neuron ، اكتشفنا أن انتشار تحفيز الدماغ يمكن التنبؤ به باستخدام رياضيات الشبكات.

تتبع الإشارات الكهربائية في الدماغ

دراسة الاتصال في الدماغ البشري صعبة. هذا لأن الإشارات الكهربائية تتحرك بسرعة كبيرة ، بمقياس جزء من الألف من الثانية ، بين جزء من الدماغ وآخر.

لجعل الأمور أكثر تعقيدًا ، يتم توصيل الإشارات عبر شبكة معقدة بشكل لا يصدق من الألياف العصبية التي تربط جميع مناطق الدماغ. تجعل هذه المشكلات من الصعب على العلماء حتى مراقبة الإشارات التي تنتقل عبر الدماغ.

ومع ذلك ، في ظل ظروف خاصة للغاية ومضبوطة ، يمكننا استخدام الأقطاب الكهربائية الغازية لتتبع انتشار إشارات الدماغ بدقة. الأقطاب الكهربائية الغازية هي أدوات يتم إدخالها جراحيًا في أدمغة المرضى الذين يوافقون على ذلك.

من المهم التأكيد على أن هذا النوع من الإجراءات الغازية لا يمكن إجراؤه إلا في ظروف خاصة للغاية ، عندما يكون الهدف الأساسي هو مساعدة المرضى. في حالتنا ، كان المرضى أشخاصًا يعانون من الصرع الشديد. عندما لا يستجيب مرضى الصرع للأدوية ، يمكنهم اختيار استخدام الأقطاب الكهربائية لمساعدة الأطباء في معرفة المزيد عما قد يحدث في أدمغتهم.

استندت دراستنا إلى مجموعة كبيرة من 550 متطوعًا من مرضى الصرع في أكثر من 20 مستشفى في جميع أنحاء أمريكا الشمالية وآسيا وأوروبا.

توفر الأقطاب الكهربائية طريقة لتحفيز منطقة الدماغ بلطف بنبض كهربائي ، وفي نفس الوقت ، تسجيل نشاط دماغ المريض. استخدمنا بيانات من أقطاب كهربائية موضوعة في مواضع مختلفة من الدماغ لتتبع اتصالات النبضات الكهربائية من منطقة إلى أخرى.

كعنصر أخير في دراستنا ، استخدمنا فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي لإعادة بناء شبكة الألياف العصبية للدماغ البشري ، والمعروفة باسم الشبكة العصبية. أعطانا هذا نموذجًا للأسلاك المادية التي يتم من خلالها توصيل الإشارات الكهربائية في الدماغ.

اليسار: رسم توضيحي لتشريح الدماغ البشري. المركز: نموذج ثلاثي الأبعاد لجميع ألياف التوصيل العصبي.

رياضيات شبكة الاتصال

إذن ، كيف يتم توصيل الإشارات عبر الأسلاك المعقدة للشبكة العصبية؟

الاحتمال البسيط هو انتقال الإشارات عبر المسارات الأكثر مباشرة في الشبكة العصبية. من حيث الشبكة ، قد يعني هذا أن النبضة الكهربائية تنتقل من منطقة إلى أخرى عبر أقصر مسار للمناطق الوسيطة بينهما.

فكرة أخرى هي أن الإشارات تنتشر عبر انتشار الشبكة. لفهم هذا ، فكر في كيفية تدفق المياه عبر شبكة من الأنابيب.

في كل مرة يصل فيها الماء إلى مفترق طرق في الشبكة ، ينقسم التدفق على طول مسارات متباينة. المزيد من التقاطعات على طول رحلة الماء يعني المزيد من الانقسامات ، ويصبح التدفق على طول أي مسار معين أضعف.

ومع ذلك ، إذا اجتمعت بعض المسارات المتباينة مرة أخرى في اتجاه مجرى النهر ، تزداد قوة التدفق مرة أخرى. في هذا القياس ، تساهم جميع الوصلات (الأنابيب) في الشبكة في تشكيل تدفق الإشارة (الماء) ، وليس فقط تلك الموجودة على طول المسار الأكثر مباشرة.

ما وجدناه

هذان النوعان من اتصالات الشبكة – أقصر المسارات مقابل التدفق المنتشر – هما فرضيتان متنافستان لشرح كيفية انتقال الإشارات الكهربائية عبر أسلاك الشبكة العصبية بعد تحفيز الدماغ. اليوم ، العلماء ليسوا متأكدين أي الفرضية تتطابق بشكل أفضل مع ما يحدث في الدماغ.

دراستنا هي واحدة من أولى الدراسات التي حاولت تسوية هذا النقاش. للقيام بذلك ، سألنا ما إذا كان أقصر المسارات أو الانتشار هو الأفضل للتنبؤ بانتشار الإشارات الكهربائية ، كما تم قياسه بواسطة الأقطاب الكهربائية في أدمغة المرضى.

بعد تحليل البيانات ، وجدنا أدلة تدعم فرضية التدفق الانتشار. وهذا يعني أن عددًا أكبر من الوصلات العصبية – مقارنة بالاتصالات التي تنتقل على طول أقصر المسارات – تحدد كيفية انتقال تحفيز الدماغ عبر الشبكة العصبية.

هذه معلومات مهمة للعلماء ، لأنها تساعدنا على فهم كيفية مساهمة التوصيلات الفيزيائية للوصلات العصبية في نشاط الدماغ ووظيفته.

ماذا بعد؟

الدراسة هي الأولى من نوعها وهناك حاجة لمزيد من العمل لتأكيد ما وجدناه. نأمل أن يساعد التقدم في فهمنا لتواصل الدماغ أيضًا العلماء السريريين على تصميم علاجات أفضل لتحفيز الدماغ لمشاكل الصحة العقلية.

يمكن أن يساعد تحفيز الدماغ على “استعادة” الاتصال المعطل بين مناطق الدماغ. على سبيل المثال ، التحفيز غير الجراحي (الذي يتم إجراؤه خارج الجمجمة ودون الحاجة إلى الجراحة) هو علاج لاضطراب الاكتئاب الشديد المتاح في أستراليا.

في البحث المستقبلي ، سوف يتم التحري ما إذا كانت الاكتشافات المذكورة هنا يمكن استخدامها لتحسين الفائدة العلاجية لعلاجات تحفيز الدماغ.

المصدر جامعة ملبورن