طريقة مبتكرة للكشف عن بنية ثلاثية الأبعاد لخلايا المخ

تتصل الخلايا العصبية في دماغنا، التي تُشكّل أساس التفكير، ببعضها البعض باستخدام هياكل صغيرة تشبه الفروع على أسطحها تُعرف باسم الأشواك الشجيرية.

وقد ابتكر علماء في معهد زوكرمان بجامعة كولومبيا وزملاؤهم برنامجًا جديدًا قويًا يعمل بالذكاء الاصطناعي، يمكنه رسم خرائط لهذه الأشواك الشجيرية تلقائيًا في صور للخلايا العصبية، وهي أداة يتيحها الباحثون مجانًا.

نُشرت ورقة بحثية تشرح بالتفصيل العمل، "خط أنابيب التعلم العميق لاستعادة دقيقة وآلية وتجزئة وتقدير الأشواك الشجرية"، في Cell Reports Methods.

قال سيرجيو بيرنال-جارسيا، المؤلف الرئيسي للدراسة: " عادةً ما تكون الأشواك الشجيرية أول موقع يُرتبط بأمراض التنكس العصبي مثل الزهايمر وباركنسون، لذا، فإن فهم المزيد عنها أمر بالغ الأهمية".

تُحصَى الأشواك الشجيرية يدويًا في الغالب حاليًا.

قد يستغرق التحليل الدقيق لمئات صور الخلايا العصبية أسابيع أو أشهرًا.

طريقة عمل البرنامج

مع الأداة الجديدة، المسماة RESPAN (تحليل الخلايا العصبية والعمود الفقري المُحسَّن للترميم)، "يستغرق الأمر بضع دقائق فقط على جهاز الكمبيوتر"، كما قال بيرنال-جارسيا.

يستطيع برنامج RESPAN تحديد الشوكة الشجرية تلقائيًا، بقياس حجمها وطولها ومساحة سطحها. يعرض البرنامج موقع الشوكة على الخلية ويحسب المسافة من مركزها، ويفعل ذلك في الحيوانات الحية، كما يوفر البرنامج عدة خطوات اختيارية لاستعادة الصور للمساعدة في تحليل الصور المعقدة، وطرقًا للمستخدمين لتدريب برنامجهم على مجموعات بياناتهم الفريدة.

لم يتفوق RESPAN على التحليل اليدوي فحسب، بل أثبت أيضًا أنه أكثر دقة من أدوات تحليل الخلايا العصبية السابقة، حيث اكتشف عددًا أقل من النتائج الإيجابية والسلبية الخاطئة.

قال لوك هاموند، المؤلف الرئيسي والمراسل للدراسة: "باستخدام أداة متاحة مجانًا، يمكن للباحثين تحسين الاتساق والثقة في نتائجهم بشكل كبير، مما يساعد في معالجة أزمة إمكانية إعادة الإنتاج في العلوم الطبية الحيوية".

سعى الباحثون إلى جعل RESPAN سهل الاستخدام قدر الإمكان.

وصرح هاموند قائلاً: "غالبًا ما يلجأ العلماء إلى الأساليب اليدوية لأن حزم البرامج المتاحة لهذه المهمة تفتقر إلى الوظائف أو تكون دقتها محدودة عند تحليل الصور الصعبة".

وأضاف: "الأمر المهم هو أن المستخدمين لا يحتاجون إلى معرفة أي برمجة لاستخدام RESPAN، ولدينا برنامج تعليمي على YouTube لإرشاد المستخدمين خلال كل خطوة".

وباستخدام أداة جديدة يمكنها رسم خريطة سريعة وتلقائية لكل شوكة شجرية على الخلية العصبية، يأمل الباحثون أن يتمكنوا من تحقيق اكتشافات جديدة.

وقال بيرنال جارسيا: "من خلال رسم خريطة مكانية لكل شوكة في الخلية العصبية، يمكننا الآن اكتشاف ما إذا كانت مواقع معينة أكثر عرضة للإصابة بالأمراض والبدء في التساؤل عما إذا كانت الشوك في مناطق مختلفة تحمل توقيعات جزيئية مميزة".

يمكن تشغيل RESPAN على جهاز كمبيوتر شخصي أو محمول مزود ببطاقة رسومات NVIDIA.