الشبكة العصبية (علم الأحياء)

الشبكة العصبية ، وتسمى أيضاً الشبكة العصبية ، هي مجموعة مترابطة من الخلايا العصبية تحتوي عادةً على دوائر عصبية متعددة . ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُدرس الشبكات العصبية البيولوجية لفهم تنظيم ووظائف الجهاز العصبي .

تُعرف الشبكات العصبية الاصطناعية بأنها نماذج تعلم آلي ، وهي مستوحاة بشكل غير مباشر من الشبكات العصبية البيولوجية. تتكون هذه الشبكات من خلايا عصبية اصطناعية ، يتم إنشاؤها من خلال دوال رياضية مصممة لمحاكاة الآليات التي تستخدمها الدوائر العصبية .

تتألف الشبكة العصبية البيولوجية من مجموعة من الخلايا العصبية المتصلة كيميائيًا أو وظيفيًا. ^{[ 3 ]} قد ترتبط خلية عصبية واحدة بالعديد من الخلايا العصبية الأخرى، وقد يكون العدد الإجمالي للخلايا العصبية والوصلات في الشبكة كبيرًا. تُسمى هذه الوصلات بالمشابك العصبية ، وتتشكل عادةً من المحاور العصبية إلى التغصنات ، مع إمكانية وجود مشابك عصبية بين التغصنات ^{[ 4 ]} وغيرها من الوصلات. إلى جانب الإشارات الكهربائية، توجد أشكال أخرى من الإشارات تنشأ عن انتشار النواقل العصبية .

يبدأ تكوين الشبكة العصبية بعصبون بسيط . تتميز الخلايا العصبية بقدرتها الفريدة على تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات كيميائية ، وربط المسارات في الجسم عبر هذه الآلية. ولأن لها وظيفة فريدة، فإنها تتميز أيضاً ببنية فريدة.

تتكون الخلية العصبية الواحدة من ثلاثة أجزاء رئيسية: جسم الخلية ، والتغصنات ، والمحور . يعمل جسم الخلية كمركز تحكم للخلية العصبية، ويحتوي على نواة الخلية وعضيات أخرى. أما التغصنات فهي امتدادات متفرعة تخرج من جسم الخلية من أحد طرفيها، ووظيفتها الأساسية استقبال الإشارات من الخلايا العصبية الأخرى. تُعرف هذه الإشارات بالإشارات الواردة ، أي أنها تنتقل باتجاه الجهاز العصبي المركزي . المحور هو تركيب طويل يشبه الذيل يخرج من جسم الخلية من الطرف الآخر، وهو مسؤول عن نقل جهد الفعل من التغصنات وجسم الخلية إلى الخلايا العصبية الأخرى ( الإشارات الصادرة ). نهاية المحور هي نهاية المحور حيث يُحفز جهد الفعل (الإشارة الكهربائية) إطلاق النواقل العصبية ، أو المعدلات العصبية ، أو الهرمونات العصبية (الإشارة الكيميائية)، مما يُنشئ المشبك العصبي الذي يتواصل مع الخلايا العصبية المجاورة. ^{[ 5 ]} عندما يحدث هذا الاتصال المشبكي بين عدد كبير من الخلايا العصبية، تتشكل شبكة عصبية . وفي عملية إنشاء هذا الاتصال، يحدث انتقال للإشارات العصبية من الخلية العصبية قبل المشبكية إلى الخلية العصبية بعد المشبكية.

صحيح أن نقل الإشارة داخل الخلية العصبية يتم عبر مواد كيميائية، إلا أن نقل الإشارة من التغصنات إلى نهاية المحور العصبي يتم عبر تغيرات في جهد الغشاء . ينشأ جهد الفعل هذا لأن لكل خلية عصبية غشاءً خلويًا مشحونًا (أي يوجد تفاوت في الجهد بين خارج الخلية وداخلها)، ويتكون هذا التفاوت بفضل قنوات أيونية حساسة للجهد . تتأثر شحنة الخلايا العصبية بالناقلات العصبية وغيرها من المحفزات الخارجية، مما يسمح بتكرار عملية تحويل الإشارة الكيميائية إلى إشارة كهربائية. في جوهر الأمر، يكون للغشاء جهد راحة عندما لا تنقل الخلية العصبية إشارة، ويُحافظ على هذا الجهد بواسطة مضخات الصوديوم والبوتاسيوم وقنوات تسريب البوتاسيوم . ثم ينشأ جهد الفعل، ويتم تنظيمه بواسطة قنوات الصوديوم والبوتاسيوم الحساسة للجهد ومضخات الصوديوم والبوتاسيوم. عندما يمر جهد الفعل عبر العصبون، فإنه يُطلق النواقل العصبية أو غيرها من الرسائل الكيميائية عبر محور العصبون ونهايته، مما يُرسل رسالة إلى العصبون المجاور في الشبكة العصبية، وبالتالي يزيد أو يقلل من احتمالية حدوث جهد فعل آخر، إما لاستمرار أو إيقاف نقل الرسالة. ^{[ 6 ]} هذه هي "اللغة" التي تستخدمها الشبكات العصبية للتواصل، وهي أساس وظيفة الجهاز العصبي بأكمله.

تُعدّ الشبكات العصبية الاصطناعية أدوات شائعة في الدراسات الحاسوبية والبيولوجية والذكاء الاصطناعي. وتُصمّم هذه الشبكات على غرار الشبكات العصبية البيولوجية، ويمكنها أن تُسهم إسهاماً كبيراً في دراسة الشبكات العصبية البيولوجية.

إن الشبكات العصبية البيولوجية ليست نظامًا بسيطًا. يشكل الدماغ البشري ملايين الشبكات العصبية من خلال 10¹¹ عصبونًا، تربطها حوالي 10¹⁵ وصلات متشابكة. وتتخصص جميع هذه الشبكات العصبية في أداء وظيفة محددة، مثل البقاء الأساسي، أو معالجة الأفكار المكثفة، أو تكوين الذاكرة . ^{[ 7 ]}

يمكن نمذجة الشبكة العصبية البيولوجية رياضيًا من خلال دراسة وظيفة العصبون رياضيًا. يعتمد التفسير الرياضي للعصبون الواحد، المعروف بالعقدة في الشبكة العصبية، على إشارة الإدخال التي يتلقاها من العصبونات المحيطة به، ويصبح التنشيط الكلي مجموع جميع المدخلات، والذي يرتبط إحصائيًا بالاتصالات المشبكية مع بقية الوصلات العصبية المحيطة به. ^{[ 7 ]} تصبح إشارة الإخراج للعصبون دالةً لتنشيطه، وعند دمج هذه الدوال معًا بطريقة أكثر تعقيدًا، يمكن إنشاء شبكة عصبية اصطناعية.

الذكاء الاصطناعي ، والنمذجة المعرفية ، والشبكات العصبية الاصطناعية هي نماذج لمعالجة المعلومات مستوحاة من كيفية معالجة الأنظمة العصبية البيولوجية للبيانات. يسعى الذكاء الاصطناعي والنمذجة المعرفية إلى محاكاة بعض خصائص الشبكات العصبية البيولوجية، حيث تعمل الشبكات العصبية الاصطناعية كجزء من التعلم الآلي الذي يسمح للذكاء الاصطناعي بالتكيف تدريجيًا ومعالجة البيانات المعقدة. ^{[ 8 ]} في مجال الذكاء الاصطناعي ، طُبقت الشبكات العصبية الاصطناعية بنجاح في التعرف على الكلام ، وتحليل الصور ، والتحكم التكيفي ، وذلك لبناء وكلاء برمجيين (في ألعاب الحاسوب والفيديو ) أو روبوتات ذاتية التشغيل .

ساهمت نظرية الشبكات العصبية، وهي دراسة نماذج الحوسبة (الشبكات العصبية الاصطناعية) المستوحاة من بيولوجيا الدماغ والجهاز العصبي (الشبكة العصبية البيولوجية)، في تحسين فهم كيفية عمل الخلايا العصبية في الدماغ، وتوفير الأساس للجهود المبذولة لإنشاء الذكاء الاصطناعي وأنظمة أكثر تعقيدًا تعتمد على التحويل غير الخطي والتحسين. ^{[ 9 ]}

تم اقتراح الأساس النظري الأولي للشبكات العصبية المعاصرة بشكل مستقل من قبل ألكسندر بين ^{[ 10 ]} (1873) وويليام جيمس ^{[ 11 ]} (1890). في عملهما، نتجت كل من الأفكار والنشاط الجسدي عن تفاعلات بين الخلايا العصبية داخل الدماغ.

بالنسبة لبين، ^{[ 10 ]} كان كل نشاط يؤدي إلى تنشيط مجموعة معينة من الخلايا العصبية. وعند تكرار الأنشطة، تتقوى الروابط بين تلك الخلايا. ووفقًا لنظريته، فإن هذا التكرار هو ما يؤدي إلى تكوين الذاكرة. وقد شكك المجتمع العلمي آنذاك في نظرية بين ^{[ 10 ]} لأنها تطلبت ما بدا أنه عدد هائل من الروابط العصبية داخل الدماغ. والآن بات من الواضح أن الدماغ معقد للغاية، وأن نفس "الشبكة العصبية" في الدماغ قادرة على التعامل مع مشكلات ومدخلات متعددة. ^{[ 13 ]}

كانت نظرية جيمس ^{[ 11 ]} مشابهة لنظرية بين؛ ^{[ 10 ]} إلا أنه اقترح أن الذكريات والأفعال ناتجة عن تيارات كهربائية تتدفق بين الخلايا العصبية في الدماغ. لم يتطلب نموذجه، من خلال التركيز على تدفق التيارات الكهربائية، وجود وصلات عصبية فردية لكل ذاكرة أو فعل. ^{[ 14 ]}

أجرى سي إس شيرينغتون ^{[ 15 ]} (1898) تجارب لاختبار نظرية جيمس. مرر تيارات كهربائية عبر الحبل الشوكي للفئران. ومع ذلك، بدلاً من إظهار زيادة في التيار الكهربائي كما توقع جيمس، وجد شيرينغتون أن شدة التيار الكهربائي تتناقص مع استمرار الاختبار بمرور الوقت. ومن المهم أن هذا العمل أدى إلى اكتشاف مفهوم التعود .

ابتكر ماكولوتش وبيتس ^{[ 16 ]} (1943) نموذجًا حسابيًا للشبكات العصبية قائمًا على الرياضيات والخوارزميات، وأطلقوا عليه اسم "منطق العتبة " . مهدت هذه النماذج المبكرة الطريق أمام انقسام أبحاث الشبكات العصبية إلى منهجين متميزين: أحدهما يركز على العمليات البيولوجية في الدماغ، والآخر يركز على تطبيق الشبكات العصبية في الذكاء الاصطناعي.

في عام 1956، اكتشف سفايتيتشين بعض العمليات العصبية التي تقوم عليها الشبكات العصبية في الكائنات الحية. درس وظائف خلايا الشبكية من الدرجة الثانية (الخلايا الأفقية)، واكتشف أنها في هذه الطبقة الأولى من المعالجة تعمل بآلية التضاد. ساعد هذا في تفسير الطبقة الأولى من معالجة الجهاز البصري.

اكتسبت المعالجة الموزعة المتوازية في منتصف ثمانينيات القرن العشرين شعبية واسعة تحت مسمى "الترابطية" . وقدّم كتاب روميلهارت وماكليلاند ^{[ 17 ]} (1986) شرحًا وافيًا لاستخدام الترابطية في الحواسيب لمحاكاة العمليات العصبية.

لطالما نُظر إلى الشبكات العصبية الاصطناعية، كما تُستخدم في الذكاء الاصطناعي، على أنها نماذج مبسطة للمعالجة العصبية في الدماغ، على الرغم من أن العلاقة بين هذا النموذج والبنية البيولوجية للدماغ محل نقاش، إذ ليس من الواضح إلى أي مدى تعكس الشبكات العصبية الاصطناعية وظائف الدماغ. ^{[ 18 ]}

بينما تلعب الشبكات العصبية الاصطناعية دورًا محوريًا في نظرية الشبكات العصبية وغيرها من التطورات المتعلقة بالتعلم الآلي والذكاء الاصطناعي والخدمات الرقمية الحديثة، يمكن أيضًا استخدامها لتعزيز الدراسات البيولوجية وعلم الأعصاب. يُعنى علم الأعصاب النظري والحسابي بتحليل وتصميم النماذج الحاسوبية للأنظمة العصبية البيولوجية. ونظرًا لارتباط الأنظمة العصبية ارتباطًا وثيقًا بالعمليات المعرفية والسلوك، فإن هذا المجال يرتبط ارتباطًا وثيقًا بنمذجة العمليات المعرفية والسلوكية.

يهدف هذا المجال إلى إنشاء نماذج للأنظمة العصبية البيولوجية لفهم كيفية عمل الأنظمة البيولوجية. ولتحقيق هذا الفهم، يسعى علماء الأعصاب إلى الربط بين العمليات البيولوجية المرصودة (البيانات)، والآليات المعقولة بيولوجيًا للمعالجة العصبية والتعلم (نماذج الشبكات العصبية)، والنظرية (نظرية التعلم الإحصائي ونظرية المعلومات ).

فيما يتعلق بنتائج علم الأعصاب البيولوجي الحديثة، فقد انصبّ اهتمام الأبحاث الأولية في الغالب على الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية، ولكن في السنوات الأخيرة، أصبح جزءٌ بالغ الأهمية من البحث هو استكشاف دور النواقل العصبية مثل الدوبامين والأستيل كولين والسيروتونين في السلوك والتعلم . ^{[ 29 ] [ 30 ]}

لقد كانت النماذج الفيزيائية الحيوية ، مثل نظرية BCM ، مهمة في فهم آليات اللدونة المشبكية ، ولها تطبيقات في كل من علوم الحاسوب وعلم الأعصاب. ^{[ 31 ]}

• نظرية الرنين التكيفي
• علم التحكم الآلي البيولوجي
• الهندسة المعمارية المعرفية
• العلوم المعرفية
• علم الاتصال العصبي
• الشبكات العصبية المستزرعة
• عمليات إرضاء القيود المتوازية
• شبكة وود الواسعة