خلية الشبكة

الخلية الشبكية هي نوع من الخلايا العصبية في القشرة الشمية الداخلية ، تنشط على فترات منتظمة أثناء تنقل الحيوان في منطقة مفتوحة، مما يسمح له بفهم موقعه في الفضاء من خلال تخزين ودمج المعلومات المتعلقة بالموقع والمسافة والاتجاه. ^{[ 1 ]} وقد وُجدت الخلايا الشبكية في العديد من الحيوانات، بما في ^ذلك الجرذان ، ^{[ 1 ]} والفئران ، ^{[ 2 ]} والخفافيش ، ^{[ 3 ]} والقرود ، ^{[ 4 ]} والبشر . ^{[ 5} ] ^{[ 6 ]}

اكتُشفت خلايا الشبكة عام ٢٠٠٥ على يد إدوارد موزر ، وماي بريت موزر ، وطلابهم توركيل هافتينغ، وماريان فين، وستورلا مولدن في مركز بيولوجيا الذاكرة (CBM) في النرويج. وقد مُنحوا جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام ٢٠١٤ بالاشتراك مع جون أوكيف لاكتشافهم خلايا تُشكّل نظام تحديد المواقع في الدماغ. أدى ترتيب حقول الإطلاق المكانية، التي تقع جميعها على مسافات متساوية من جيرانها، إلى فرضية مفادها أن هذه الخلايا تُشفّر تمثيلاً عصبياً للفضاء الإقليدي . ^{[ ١ ]} كما أشار الاكتشاف إلى آلية للحساب الديناميكي للموقع الذاتي بناءً على معلومات مُحدّثة باستمرار حول الموقع والاتجاه.

للكشف عن نشاط خلايا الشبكة في تجربة نموذجية على الفئران، يُزرع قطب كهربائي دقيق قادر على تسجيل نشاط الخلايا العصبية المفردة في القشرة الشمية الظهرية الوسطى ، ويجمع التسجيلات أثناء تحرك الفأر بحرية في ساحة مفتوحة. يمكن عرض البيانات الناتجة بصريًا بتحديد موقع الفأر على خريطة الساحة في كل مرة تُطلق فيها تلك الخلية العصبية جهد فعل . تتراكم هذه العلامات بمرور الوقت لتشكل مجموعة من التجمعات الصغيرة، والتي بدورها تُشكل رؤوس شبكة من المثلثات متساوية الأضلاع. يميز نمط المثلثات المنتظم خلايا الشبكة عن أنواع الخلايا الأخرى التي تُظهر إطلاقًا مكانيًا. على النقيض من ذلك، إذا تم فحص خلية مكانية من قرن آمون الفأر بنفس الطريقة، فإن العلامات غالبًا ما تُشكل تجمعًا واحدًا فقط (حقل مكاني واحد) في بيئة معينة، وحتى عند رؤية تجمعات متعددة، لا يوجد انتظام ملحوظ في ترتيبها.

في عام 1971، أعلن جون أوكيف وجوناثان دوستروفسكي عن اكتشاف خلايا المكان في قرن آمون لدى الفئران ، وهي خلايا تُطلق كمونات عمل عندما يمر الحيوان بمنطقة صغيرة محددة في الفضاء، تُسمى حقل المكان للخلية. ^{[ 7 ]} هذا الاكتشاف، رغم أنه أثار جدلاً في البداية، أدى إلى سلسلة من الأبحاث التي تُوِّجت بنشر كتاب عام 1978 من تأليف أوكيف وزميله لين نادل بعنوان "قرن آمون كخريطة معرفية" (وهو عنوان ورد أيضًا في ورقة بحثية نُشرت عام 1971) ^{[ 8 ]} ، حيث جادل الكتاب بأن الشبكة العصبية في قرن آمون تُجسِّد الخرائط المعرفية كما افترض عالم النفس إدوارد سي. تولمان . أثارت هذه النظرية اهتمامًا كبيرًا، وحفَّزت مئات الدراسات التجريبية التي هدفت إلى توضيح دور قرن آمون في الذاكرة المكانية والتوجيه المكاني.

نظرًا لأن القشرة الشمية الداخلية تُوفر المدخلات الأكبر بكثير إلى الحصين، كان من الأهمية بمكان فهم خصائص إطلاق النبضات المكانية لخلاياها العصبية. وصفت الدراسات المبكرة، مثل دراسة كويرك وآخرون (1992)، خلايا القشرة الشمية الداخلية بأنها ذات حقول مكانية كبيرة وغير واضحة نسبيًا. ^{[ 9 ]} لكن موسر اعتقد أنه من الممكن الحصول على نتيجة مختلفة إذا تم تسجيل النشاط من جزء آخر من القشرة الشمية الداخلية. القشرة الشمية الداخلية عبارة عن شريط من الأنسجة يمتد على طول الحافة الخلفية لدماغ الفأر من الجانب البطني إلى الجانب الظهري. وقد أظهرت الدراسات التشريحية أن قطاعات مختلفة من القشرة الشمية الداخلية تُسقط على مستويات مختلفة من الحصين: الطرف الظهري للقشرة الشمية الداخلية يُسقط على الحصين الظهري، والطرف البطني على الحصين البطني. ^{[ 10 ]} كان هذا الأمر ذا صلة لأن العديد من الدراسات أظهرت أن خلايا المكان في الحصين الظهري تتميز بحقول مكانية أكثر وضوحًا من الخلايا الموجودة في المستويات البطنية. ^{[ 11 ]} لكن جميع الدراسات التي تناولت النشاط المكاني في القشرة الشمية الداخلية قبل عام 2004 استخدمت أقطابًا كهربائية مزروعة بالقرب من الطرف البطني للقشرة الشمية الداخلية. وبناءً على ذلك، شرع آل موزر، بالتعاون مع ماريان فين، وستورلا مولدن، ومينو ويتر، في دراسة إطلاق النبضات المكانية من مختلف مستويات القشرة الشمية الداخلية، من الظهرية إلى البطنية. ووجدوا أنه في الجزء الظهري من القشرة الشمية الداخلية الإنسية، تمتلك الخلايا حقولًا مكانية محددة بدقة كما هو الحال في الحصين، لكن الخلايا تُطلق النبضات في مواقع متعددة. ^{[ 12 ]} أظهر ترتيب حقول إطلاق النبضات مؤشرات على الانتظام، لكن حجم البيئة كان صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن رؤية الدورية المكانية في هذه الدراسة.

استخدمت المجموعة التالية من التجارب، التي نُشرت نتائجها عام ٢٠٠٥، بيئةً أوسع، مما أدى إلى إدراك أن الخلايا كانت تُطلق إشاراتها في نمط شبكي سداسي. ^{[ ١ ]} أظهرت الدراسة أن الخلايا الموجودة في مستويات متشابهة من القشرة المخية الداخلية (MEC) من الظهر إلى البطن، تتشابه في تباعد الشبكة واتجاهها، ولكن طور الشبكة (إزاحة رؤوس الشبكة بالنسبة للمحورين السيني والصادي) بدا موزعًا عشوائيًا بين الخلايا. وقد ظهر نمط الإطلاق الدوري بشكل مستقل عن تكوين المعالم، سواء في الظلام أو في وجود معالم مرئية، وبشكل مستقل عن تغيرات سرعة الحيوان واتجاهه، مما دفع الباحثين إلى اقتراح أن خلايا الشبكة تُعبّر عن حساب ديناميكي لموقع الحيوان يعتمد على تكامل المسار.

حصل كل من ماي بريت موزر وإدوارد موزر على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 2014، إلى جانب جون أوكيف، لاكتشافهما خلايا الشبكة .

الخلايا الشبكية هي خلايا عصبية تُطلق إشاراتها عندما يعبر حيوان يتحرك بحرية مجموعة من المناطق الصغيرة (حقول الإطلاق) متساوية الحجم تقريبًا، ومرتبة في شكل مثلث دوري يغطي البيئة المحيطة بالكامل. ^{[ 1 ]} وُجدت خلايا ذات نمط إطلاق مماثل في جميع طبقات القشرة الشمية الداخلية الظهرية الذيلية (dMEC)، لكن الخلايا في الطبقات المختلفة تميل إلى الاختلاف في جوانب أخرى. تحتوي الطبقة الثانية على أعلى كثافة من الخلايا الشبكية النقية، بمعنى أنها تُطلق إشاراتها بالتساوي بغض النظر عن اتجاه حركة الحيوان في موقع الشبكة. تتداخل الخلايا الشبكية من الطبقات الأعمق مع الخلايا الوصلية وخلايا اتجاه الرأس (أي في الطبقات الثالثة والخامسة والسادسة، توجد خلايا ذات نمط شبكي تُطلق إشاراتها فقط عندما يكون الحيوان مواجهًا لاتجاه معين). ^{[ 13 ]}

تُظهر الخلايا الشبكية المتجاورة (أي الخلايا المسجلة من نفس القطب الكهربائي) عادةً نفس التباعد والاتجاه الشبكي، ولكن رؤوسها الشبكية مُزاحة عن بعضها البعض بانحرافات عشوائية على ما يبدو. أما الخلايا المسجلة من أقطاب كهربائية منفصلة على مسافة من بعضها البعض، فتُظهر عادةً تباعدات شبكية مختلفة. تتميز الخلايا الواقعة في الجزء البطني (الأبعد عن الحد الظهري للقشرة المخية الداخلية) عمومًا بحقول إطلاق نار أكبر عند كل رأس شبكي، وبالتالي تباعد أكبر بين رؤوس الشبكة. ^{[ 1 ]} لم يُحدد النطاق الكلي للتباعدات الشبكية بدقة: فقد وصف التقرير الأولي نطاقًا يقارب الضعف للتباعدات الشبكية (من 39  سم إلى 73  سم) عبر الجزء الظهري الأقصى (أعلى 25%) من القشرة المخية الداخلية، ^{[ 1 ]} ولكن هناك مؤشرات على وجود مقاييس شبكية أكبر بكثير في المناطق البطنية. (برون وآخرون) في عام 2008، سُجّلت خلايا شبكية من مستويات متعددة في فئران تجري على مسار طوله 18 مترًا، ووُجد أن تباعد الشبكة يتسع من حوالي 25  سم في أقصى المواقع الظهرية إلى حوالي 3 أمتار في أقصى المواقع البطنية. ^{[ 14 ]} لم تمتد هذه التسجيلات إلا إلى ثلاثة أرباع المسافة نحو الطرف البطني، لذا فمن المحتمل وجود شبكات أكبر. وقد ثبت أن هذه التمثيلات متعددة المقاييس مرغوبة من الناحية النظرية للمعلومات. ^{[ 15 ]}

لا يتطلب نشاط خلايا الشبكة مدخلات بصرية، حيث تظل أنماط الشبكة دون تغيير عند إطفاء جميع الأضواء في البيئة.

تتأثر أنماط إطلاق الخلايا الشبكية بالتجربة وهندسة البيئة. فقد أظهر باري، وهايمان، وبرجس، وجيفري (2007) أن مقياس الشبكة والمسافة بينها يتغيران مع حجم الحظيرة عندما يُختبر الحيوان بشكل متكرر في بيئات مختلفة الأحجام، ^{[ 16 ]} ووجدت دراسة أجراها باري، وجينزبيرج، وأوكييف، وبرجس عام 2012 أن الشبكات تتوسع بشكل مؤقت عندما يواجه الحيوان بيئة جديدة، مما يشير إلى حداثة البيئة. ^{[ 17 ]} كما أن الاستقطاب الهندسي للحظيرة يُخلّ بالتناظر السداسي للنمط، مما يوحي بأن الشبكة تتشكل بفعل هندسة البيئة بدلاً من أن تُفرض بواسطة قالب داخلي ثابت. ^{[ 18 ] [ 1 ]} ولكن عندما تكون الإشارات البصرية موجودة، فإنها تُمارس سيطرة قوية على محاذاة الشبكات: فتدوير بطاقة إشارة على جدار أسطوانة يؤدي إلى دوران أنماط الشبكة بنفس المقدار. ^{[ 1 ]} تظهر أنماط الشبكة عند دخول الحيوان لأول مرة إلى بيئة جديدة، ثم تبقى مستقرة عادةً. ^{[ 1 ]} عندما يُنقل الحيوان إلى بيئة مختلفة تمامًا، تحافظ خلايا الشبكة على تباعدها، وتحافظ شبكات الخلايا المجاورة على إزاحاتها النسبية. ^{[ 1 ]}

عند نقل فأر إلى بيئة مختلفة، تُظهر أنماط النشاط المكاني لخلايا المكان في الحصين عادةً "إعادة تخطيط كاملة" - أي أن نمط حقول المكان يُعاد تنظيمه بطريقة لا تشبه النمط في البيئة الأصلية. ^{[ 19 ]} مع ذلك، إذا تغيرت خصائص البيئة بشكل أقل جذرية، فقد يُظهر نمط حقل المكان درجة أقل من التغيير، يُشار إليها باسم "إعادة تخطيط المعدل" ، حيث تُغير العديد من الخلايا معدلات إطلاقها، لكن غالبية الخلايا تحتفظ بحقول المكان في المواقع نفسها كما كانت من قبل. تم فحص ذلك باستخدام تسجيلات متزامنة لخلايا الحصين والقشرة الشمية الداخلية، ووُجد أنه في الحالات التي يُظهر فيها الحصين إعادة تخطيط المعدل، تُظهر خلايا الشبكة أنماط إطلاق غير متغيرة، بينما عندما يُظهر الحصين إعادة تخطيط كاملة، تُظهر أنماط إطلاق خلايا الشبكة تحولات ودورانات غير متوقعة. ^{[ 20 ]}

Neural activity in nearly every part of the hippocampal system is modulated by the hippocampal theta rhythm, which has a frequency range of about 6–9 Hz in rats. The entorhinal cortex is no exception: like the hippocampus, it receives cholinergic and GABAergic input from the medial septal area, the central controller of theta. Grid cells, like hippocampal place cells, show strong theta modulation.^[1] Grid cells from layer II of the MEC also resemble hippocampal place cells in that they show phase precession—that is, their spike activity advances from late to early phases of the theta cycle as an animal passes through a grid vertex. A recent model of grid cell activity explained this phase precession by assuming the presence of 1-dimensional attractor network composed of stellate cells.^[21] Most grid cells from layer III do not precess, but their spike activity is largely confined to half of the theta cycle. The grid cell phase precession is not derived from the hippocampus, because it continues to appear in animals whose hippocampus has been inactivated by an agonist of GABA.^[22]

تستطيع العديد من أنواع الثدييات تتبع موقعها المكاني حتى في غياب الإشارات البصرية أو السمعية أو الشمية أو اللمسية، وذلك من خلال دمج حركاتها - وتُعرف هذه القدرة في الأدبيات العلمية باسم " تكامل المسار" . وقد استكشفت العديد من النماذج النظرية الآليات التي يمكن من خلالها للشبكات العصبية تنفيذ تكامل المسار. في معظم هذه النماذج، مثل نموذجي سامسونوفيتش وماكنوتون (1997) ^{[ 23 ]} أو بوراك وفيتي (2009) ^{[ 24 ]} ، تتمثل المكونات الرئيسية في: (1) تمثيل داخلي للموقع، (2) تمثيلات داخلية لسرعة واتجاه الحركة، و(3) آلية لتغيير الموقع المُشفّر بالمقدار المناسب عند تحرك الحيوان. نظرًا لأن الخلايا في القشرة المخية الداخلية (MEC) تُشفّر معلومات حول الموقع (خلايا الشبكة ^{[ 1 ]} ) والحركة (خلايا اتجاه الرأس وخلايا الموقع والاتجاه المتصلة ^{[ 13 ]} )، تُعتبر هذه المنطقة حاليًا المرشح الأنسب لمكان حدوث تكامل المسار في الدماغ. مع ذلك، يبقى السؤال مطروحًا، إذ لا يبدو أن القشرة الشمية الداخلية ضرورية لتكامل المسار لدى البشر. ^{[ 25 ]} أظهر بوراك وفيتي (2009) أن المحاكاة الحاسوبية لنظام خلايا الشبكة قادرة على إجراء تكامل المسار بدقة عالية. ^{[ 24 ]} مع ذلك، تشير دراسات نظرية أحدث إلى أن خلايا الشبكة قد تُجري عملية إزالة ضوضاء أكثر عمومية لا ترتبط بالضرورة بالمعالجة المكانية. ^{[ 26 ]}

اقترح هافتينج وآخرون (2005) ^{[ 1 ]} أن يتم حساب رمز المكان في القشرة الأنفية الداخلية ويتم إدخاله إلى الحصين ، مما قد يؤدي إلى تكوين الروابط بين المكان والأحداث اللازمة لتكوين الذكريات.

على عكس خلية المكان في الحصين ، تحتوي خلية الشبكة على حقول إطلاق متعددة، ذات تباعد منتظم، تُشكل البيئة بنمط سداسي. وفيما يلي الخصائص الفريدة لخلايا الشبكة:

1. تحتوي خلايا الشبكة على حقول إطلاق نار منتشرة في جميع أنحاء البيئة (على عكس حقول المكان التي تقتصر على مناطق محددة معينة من البيئة).
2. يتم تنظيم حقول الإطلاق في شبكة سداسية
3. تكون حقول إطلاق النار متباعدة بشكل عام بالتساوي، بحيث تكون المسافة من حقل إطلاق نار واحد إلى جميع حقول إطلاق النار الستة المجاورة متساوية تقريبًا (على الرغم من أنه عند تغيير حجم البيئة، قد يتقلص تباعد الحقول أو يتوسع بشكل مختلف في اتجاهات مختلفة؛ باري وآخرون 2007).
4. تم وضع حقول إطلاق النار بشكل متساوٍ، بحيث تقع الحقول الستة المجاورة على مسافات متساوية تقريبًا تبلغ 60 درجة.

ترتبط خلايا الشبكة بمعالم خارجية، لكنها تستمر في الظلام، مما يشير إلى أن خلايا الشبكة قد تكون جزءًا من خريطة تعتمد على الحركة الذاتية للبيئة المكانية.

في عام 2018، أبلغ باحثون في شركة ديب مايند، بالتعاون مع كاسويل باري، عن أول عرض توضيحي لتمثيلات شبيهة بخلايا الشبكة في الشبكات العصبية المتكررة الاصطناعية: فعندما تم تدريب الشبكات على أداء تكامل المسار، ظهرت وحدات ذات إطلاق مكاني سداسي بشكل تلقائي، وتمكنت العوامل الاصطناعية المجهزة بهذه التمثيلات من تخطيط مسارات أكثر كفاءة من العوامل التي لا تمتلكها. ^{[ 27 ]}

يُطرح تشبيهٌ تطوريٌّ تقاربيٌّ بين خلايا الشبكة وتفكيك الصور في ضغط JPEG إلى دوال أساسية جيبية منفصلة متراكبة . ووفقًا لهذا التفسير، فإن النشاط المشترك لجميع خلايا الشبكة يُوفّر ضغطًا أمثل لتضاريس الحيوان. ونتيجةً لذلك، فإن "خلايا الشبكة، وحتى وحدات خلايا الشبكة ذات المقياس نفسه، لا تعمل ككيانات معزولة، بل تُدمج معلوماتها عبر مقاييس الشبكة المتعددة لتشكيل تمثيل مضغوط فريد للموقع المكاني للحيوان". ^{[ 28 ]}

• الخلية الحدودية ، التي تم اكتشافها في عام 2008.
• قائمة بأنواع الخلايا المتميزة في جسم الإنسان البالغ

• مجموعة موسرز، مؤرشفة بتاريخ 15 أبريل 2019 على موقع Wayback Machine
• فيلم لخلية شبكية