ما "يعرفه" الأنف يكشف عن بساطة غير متوقعة للعملية الحسابية للشم

بقلم بيتر تار

 

 11 يناير 2015

المترجم: عدنان أحمد الحاجي 

 

المقالة رقم  295 لسنة 2022

 

New research on what the nose ‘knows’ reveals an unexpected simplicity

Peter Tarr

 

11 January 2015

 

ما يعرفه الأنف يعد أمرًا مدهشًا جدًا، عندما تفكر في العملية.  في اللحظة التي تشم فيها رائحة كريهة - رائحة حليب فاسد، على سبيل المثال، أو رائحة كريهة تخرج من الغدة الشرجية لحيوان الظربان - تنكفيء لا إراديًا اشمئزازًا من الرائحة.  في كثير من الأحيان، أيضًا، تحاول التخلص بسرعة من الحليب الفاسد أو تفر بأسرع ما يمكن بعيدًا عن الموقع المفترض لمصدر رائحة حيوان الظربان الكريهة.

الأنف، بالطبع، لا يعرف شيئًا.  المعلومات التي نجمعها من شم الروائح الأساسية التي تقوم بها المستقبلات الجزيئية في الأنف تحتاج إلى معالجة في البصلة الشمية للدماغ والقشرة الشمية حتى نفهم الرائحة ونستخلص ما نحتاج إلى معرفته لنقوم بالإجراء اللازم.

على الرغم من أن الكثير مما نعرفه عن الدماغ يقودنا إلى الإعجاب والدهشة من تعقيداته، إلا أن البحث الذي نشره في دورية Nature Neuroscience فريق في مختبر كولد سبرينغ هاربور (CSHL) والمركز الوطني للعلوم البيولوجية (NCBS) في بنغالور، الهند يشير في الاتجاه المعاكس - لعملية أساسية رائعة لبساطتها⁽¹⁾.

أجرى الفريق تجارب على فئران على مدى خمس سنوات في قارتين، أشباهنا من الثدييات التي يشبه جهازها الشمي جهازنا الشمي في العديد من النواحي الرئيسة بفضل ظاهرة تسمى البقاء التطوري evolutionary conservation [المترجم: البقاء التطوري يعني بقاء جينات مشابهة، أو أجزاء منها، أو أجزاء كروموسومات في أنواع / كائنات حية مختلفة، مما يعكس الأصل المشترك لهذه الكائنات او الخصائص الوظيفية الهامة لهذه العناصر المحفوظة / الباقية⁽²⁾.  اكتشف فريق البحث نوعين من المعالجات العصبية في البصيلة الشمية للحيوانات يقومان بحل المسألة الصعبة المتمثلة في التعرف على الروائح البيئية باستخدام المتسلسلة الحسابية⁽³⁾.  وهذه العملية بسهواة تلك التي يستخدمها الطفل لجمع أو ضرب الأرقام.

"هذه النتيجة التي توصلنا اليها أسعدتنا، وفاجأتنا أيضًا، نظرًا لأن هناك في مجال علم الأعصاب بأكمله تحيزًا - وهو أمر مقبول - نظرًا لأن دماغ الثدييات في الأساس غير خطي" ، كما تقول الباحثة الرئيسة بريانكا جوبتا Priyanka Gupta، طالبة دكتوراه في المركز الوطني للعلوم البيولوجية.  [المترجم: اللاخطية تعني أي نظام لا يتناسب مخرجاته مباشرةً مع مدخلاته⁽⁴⁾].

مسألة المعالجة الشمية للروائح ⁽⁵⁾، لكل من القوارض والبشر، معقدة بلا شك. يستلم جهازنا الحسي مدخلات متقطعة ومتقلبة من المحيط حولنا.  تنتقل الروائح فيما يسميه الباحثون أعمدة جزيئات [ المترجم: وكأنها عمود دخان plumes] ، والتي تنتشر بطرق معقدة في الزمكان، بحسب مدى اضطراب الحالة البيئية. في اليوم العاصف، تصل رائحة حيوان الظربان إلى الأنف بشكل مختلف عن وصولها في اليوم الذي تكون فيه الرياح هادئة، مع افتراض أن جميع العوامل البيئية الأخرى،من حرارة وضغط، ثابتة.

النوع الثاني من التباينات يتعلق بطريقة شمنا.  في بعض اللحظات قد نأخذ أنفاسًا سريعة ضحلة [التنفس الضحل هو نمط تنفس بطيء يكون الشهيق والزفير فيه سريع،⁽⁶⁾]. في حالات أخرى، نأخذ نفسًا طويلًا وعميقًا.  هذا يعني أننا نستنشق كميات مختلفة من أنواع الروائح بسرعات مختلفة بحسب نوع النَفَس الذي نأخذه في أي لحظة.

أزال الفريق أحد المتغيرين الرئيسيين لتحليل كيف تقوم الخلايا المترالية⁽⁷⁾ والخلايا الملفوفة⁽⁸⁾ - وهما نوعا خلايا عصبية (عصبونات) في البصيلة الشمية للفئران تقومان بمعالجة المعلومات التي حصلتا عليها من مجسات خط المستقبلات الأول في أنف الفأر.  بتصميم طريقة للتحكم مؤقتًا في معدل تنفس الفأر أثناء استنشاقها عينات من مجموعة متنوعة من الروائح ، تمكن فريق البحث من ملاحظة كيف يعمل جهاز التعرف على الروائح في ظل ظروف استنشاق / شم "ثابتة".  تمكنوا بعد ذلك من مقارنة ذلك بالنتائج التي حصلوا عليها عندما شم نفس الفأر عينات من نفس مجموعة الروائح في ظل ظروف تنفس طبيعية غير منتظمة.

شرع الفريق في اعتبار أن الخلايا العصبية في البصلة الشمية تقوم بحسابات معقدة.  بدت هذه التعقيدات في الحسابات أمرًا محتملًا، جزئيًا، لأن الخلايا المترالية والخلايا الملفوفة غالبًا ما تُثبطها خلايا عصبية أخرى في البصلة الشمية، وهو نشاط يثبط بالفعل الإشارات الواردة.  التثبيط للاشارات الواردة ينطوي على فقدان معلومات ويتسبب في إدخال ما يسميه الباحثون العلميون والمهندسون "اللاخطية" للدارة curcuit العصبية الكلية التي تشكل هذه الخلايا العصبية عناصرها. 

لكن التجارب التي أجريت في ظل ظروف صارمة جدًا، حيث تمت مراقبة التنفس والانتشار الطبيعي لأعمدة الروائح والتحكم الدقيق فيها، أسفرت عن نتائج غير متوقعة ويصعب تبريرها.  يوضح ألبينو: "لقد أخذنا عينات صغيرة من رائحة معينة - وهو منبه stimuli استمر لفترة قصيرة جدًا - وقمنا بتعريض الفئران له". "في فأر معين، لاحظنا نشاط خلية مترالية واحدة ، بعد أن كررنا التجربة عدة مرات.  ووجدنا أنه بمجرد أن نتمكن من تسجيل نشاط استجابة تلك الخلية للمنبه الذي استمر لفترة قصيرة، يمكننا استخدام نشاط هذه الاستجابة، للتنبؤ بدقة بكيف تستجيب نفس الخلية - سواء لنسخة من نفس المنبه استمرت لفترة طويلة أو لأي رائحة واردة، بغض النظر عن شكل أعمدة الرائحة، من ناحية انتشارها المكاني، أو فترتها الزمنية."

بعبارة أخرى، ما لاحظه الفريق كان استجابة خطية linear [أي المخرجات تساوي الندخلات].  طالما استمرت استجابة خلية معينة لمنبه معروف لفترة قصيرة، يمكن حساب استجابتها لأي منبه وذلك بعملية ضرب حسابية بسيطة (تقريبًا، "بصمة نشاط الخلية مضروبة،في مدة الشم ").  تبين أن العملية الحسابية بسيطة:  كل خلية عصبية لها "زمن كُمُون latency [المترجم: الكمون / الانتظار - أي الفترة الزمنية ما بين عملية التنبيه / الشم والاستجابة لها]، " وهي أي تأخير زماني طفيف قبل أن تصدر الخلية العصبية جهد فعل fire أو تُثبط استجابةً لإشارة شم رائحة.  يبدو أن وقت هذا الكمون لا يتغير، بغض النظر عما إذا كان الفأر يتنفس بشكل  قصير وسريع أو يتنفس بشكل طويل وعميق.

للخلية العصبية كمونات مختلفة لروائح مختلفة.  لكنها "تعرف" بصمة أي رائحة معينة بسرعة فائقة جدًا - في غضون عشرات الألف  من أجزاء  الثانية الواحدة [أو الملّي ثانية - الملّي ثانية = واحد على ألف من الثانية الواحدة] . بعد التعرف على هوية / نوع الرائحة، تقوم عصبونات البصيلات الشمية، بالتنسيق مع العمليات الدماغية، بمعالجة الجوانب البارزة الأخرى للرائحة - كثافتها واتجاهها في الجو، وبعدها عن الحيوان.

تعتمد الفئران على حاسة الشم أكثر بكثير من اعتماد البشر عليها، من حيث قيامها بالضروريات، مثل الغذاء والسلامة والتعرف على الأزواج المناسبة.  لذا فهذه أمور حيوية تحتاج إلى اجابة، بشكل دائم تقريبًا حالما يكون الحيوان مستيقظًا.  وبالتالي، فإن تعرف فريق البحث على بساطة مهمة جدًا في صلب جهاز التعرف على الروائح ليس فقط مفاجأة فكرية للباحثين ولكنه يساعدهم على فهم سبب كون أدمغة الفئران مناسبة لوظيفتها.  اتضح أنها وظيفة غاية في البساطة أكثر مما يتخيله أي أحد.

 

مصادر من داخل وخارج النص

1- https://www.nature.com/neuro/ 

 

2- http://www.informatics.jax.org/glossary/evolutionary_conservation

 

3- https://ar.wikipedia.org/wiki/متسلسلة_(رياضيات)

 

-4 "المعالجة،الشمية odor processing بمجرد أن يرتبط جزيء الرائحة بأحد المستقبلات في الجهاز الشمي، ترسل الخلايا العصبية الحسية إشارات كهربائية معينة إلى حجيرات في الدماغ تسمى الكبيبات الشمية olfactory glomeruli. تثير الروائح المختلفة أنماطًا مميزة من النشاط الكهربائي في كل هذه المناطق، وهذا يتتج تمثيلًا عصبيًا معينًا للرائحة (أي بصمة للرائحة) في الدماغ.". ترجمناه من نص ورد على عذا العنوان:

https://theconversation.com/from-odor-to-action-how-smells-are-processed-in-the-brain-and-influence-behavior-173811

 

5- https://en.wikipedia.org/wiki/Nonlinearity_(disambiguation)

 

6- https://ar.wikipedia.org/wiki/تنفس_ضحل

 

7- "الخلايا المترالية (mitral cells) هي خلايا عصبية تشكِّل جزءًا من الجهاز الشمي وتقع في البصلة الشمية الموجودة في الجهاز العصبي المركزي لدى الثديات."  مقتبس من نص ورد على هذا العنوان:

https://ar.wikipedia.org/wiki/خلية_مترالية

 

8- ؛الخلايا الملفوفة (Tufted cell) هي خلايا توجد في الكبيبة الشمية، وتستقبل المدخلات من المستقبلات الموجودة في الظهارة الشمية الموجودة في التجويف الأنفي.  وتُسمى كل من الخلايا الملفوفة والخلايا المترالية بعصبونات الاسقاط، وترسل هذه العصبونات الإشارات من الكبيبة الشمية إلى الدماغ."  مقتبس من نص ورد على هذا العنوان:

https://ar.wikipedia.org/wiki/خلية_ملفوفة

 

 

المصدر الرئيس

https://www.cshl.edu/new-research-on-what-the-nose-knows-reveals-an-unexpected-simplicity/