علم وظائف الأعصاب

علم الفيزياء العصبية (أو الفيزياء الحيوية العصبية ) هو فرع من فروع الفيزياء الحيوية يُعنى بتطوير واستخدام الأساليب الفيزيائية للحصول على معلومات حول الجهاز العصبي . يُعدّ علم الفيزياء العصبية علمًا متعدد التخصصات، إذ يستخدم الفيزياء ويدمجها مع علوم الأعصاب الأخرى لفهم العمليات العصبية بشكل أفضل. مصطلح "الفيزياء العصبية" هو مزيج من كلمتي " عصبون " و" فيزياء ". أما الفيزياء الحيوية العصبية النانوية فهي تخصص في الفيزياء الحيوية العصبية على المستوى النانوي ^{[ 1 ]} ، وهي أيضًا مجال فرعي من علوم النانو . يركز علم الفيزياء الحيوية العصبية النانوية على دراسة إزالة الميالين والأمراض التنكسية العصبية ، بهدف نهائي هو تطبيق هذه المعرفة في مجال الطب النانوي (أي تشخيص الأمراض وعلاجها باستخدام تقنية النانو ). ^{[ 1 ]}

تشمل الأساليب المستخدمة تقنيات الفيزياء الحيوية التجريبية وغيرها من القياسات الفيزيائية مثل تخطيط كهربية الدماغ ^{[ 2 ]} ، وذلك لدراسة الخصائص الكهربائية أو الميكانيكية أو السائلة ، بالإضافة إلى المناهج النظرية والحسابية . ^{[ 3 ]} ومن الأمثلة الأخرى، استخدام نظرية كمونات الفعل الشاذة في الخلايا العصبية باستخدام توسيع كرامرز-مويال ^{[ 4 ]} ووصف الظواهر الفيزيائية المقاسة أثناء تخطيط كهربية الدماغ باستخدام تقريب ثنائي القطب ^{[ 2 ]،} حيث تستخدم هذه الأساليب علم الأعصاب لفهم النشاط العصبي بشكل أفضل.

ثمة نهج نظري آخر متميز تمامًا، ينظر إلى الخلايا العصبية على أنها تمتلك طاقات تفاعل نموذجية من نوع إيزينغ ، ويستكشف التداعيات الفيزيائية لذلك على مختلف بنيات شجرة كايلي والشبكات العصبية الكبيرة . في عام 1981، اشتق بيتر بارث الحل الدقيق لشجرة كايلي المغلقة (ذات الحلقات) لنسبة تفرع عشوائية ^{[ 5 ]} ، ووجد أنها تُظهر سلوكًا غير عادي لانتقال الطور ^{[ 6 ]} في ارتباطاتها المحلية-القمية والارتباطات بعيدة المدى بين المواقع، مما يشير إلى أن ظهور الظواهر التعاونية المحددة هيكليًا والمتأثرة بالاتصال قد يلعب دورًا مهمًا في الشبكات العصبية الكبيرة.

تُستخدم تقنيات قديمة لتسجيل نشاط الدماغ باستخدام الظواهر الفيزيائية على نطاق واسع في الأبحاث والطب . يعتمد تخطيط كهربية الدماغ (EEG) على الفيزيولوجيا الكهربائية لقياس النشاط الكهربائي داخل الدماغ. هذه التقنية، التي سجل بها هانز بيرغر لأول مرة النشاط الكهربائي للدماغ على إنسان عام 1924، ^{[ 7 ]} هي تقنية غير جراحية، وتعتمد على أقطاب كهربائية توضع على فروة رأس المريض لتسجيل نشاط الدماغ. وبناءً على المبدأ نفسه، يتطلب تخطيط كهربية قشرة الدماغ (ECoG) إجراء عملية فتح الجمجمة لتسجيل النشاط الكهربائي مباشرة على قشرة الدماغ .

في العقود الأخيرة، ابتكر الفيزيائيون تقنيات وأجهزة لتصوير الدماغ ونشاطه. تكشف تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، التي اكتشفها سيجي أوغاوا عام 1990، ^{[ 8 ]} عن تغيرات تدفق الدم داخل الدماغ. وبالاستناد إلى تقنية التصوير الطبي الحالية، التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وإلى العلاقة بين النشاط العصبي وتدفق الدم الدماغي، تُمكّن هذه الأداة العلماء من دراسة أنشطة الدماغ عند تحفيزها بتحفيز مُتحكم به. وهناك تقنية أخرى، هي مجهر الفوتونين (2P)، التي ابتكرها وينفريد دينك (والذي نال جائزة الدماغ عام 2015 ^{[ 9 ]} )، وجون إتش. ستريكلر، ووات دبليو. ويب عام 1990 في جامعة كورنيل ، ^{[ 10 ]،} وتستخدم بروتينات وأصباغًا فلورية لتصوير خلايا الدماغ . تجمع هذه التقنية بين امتصاص الفوتونين، الذي نظّرت له ماريا غوبرت ماير لأول مرة عام 1931، وأشعة الليزر. تُستخدم هذه التقنية اليوم على نطاق واسع في الأبحاث وغالبًا ما تقترن بالهندسة الوراثية لدراسة سلوك نوع معين من الخلايا العصبية .

لا يزال الوعي آليةً غير معروفة، ولم يتوصل المنظرون بعد إلى فرضيات فيزيائية تفسر آلياته. تعتمد بعض النظريات على فكرة أن الوعي يمكن تفسيره من خلال الاضطرابات في المجال الكهرومغناطيسي الدماغي الناتجة عن كمونات الفعل التي تُثار أثناء نشاط الدماغ. ^{[ 11 ]} تُسمى هذه النظريات النظريات الكهرومغناطيسية للوعي . بينما تقترح مجموعة أخرى من الفرضيات أن الوعي لا يمكن تفسيره بالديناميكا الكلاسيكية ، بل بميكانيكا الكم وظواهرها. تُجمع هذه الفرضيات ضمن فكرة العقل الكمي ^{[ 12 ]} ، وقد طرحها يوجين ويغنر لأول مرة .

من بين الجوائز التي تُمنح لعلماء الفيزياء العصبية تقديرًا لإسهاماتهم في علم الأعصاب والمجالات ذات الصلة، تبرز جائزة الدماغ ، التي فاز بها مؤخرًا أدريان بيرد وهدى زغبي لعملهما الرائد في رسم خرائط التنظيم اللاجيني للدماغ وفهمه، وتحديد الجين المسبب لمتلازمة ريت. ^{[ 13 ]} ومن بين الجوائز الأخرى المهمة التي يمكن منحها لعلماء الفيزياء العصبية: جائزة الأكاديمية الوطنية للعلوم في علم الأعصاب ، وجائزة كافلي ، وجائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء . وتجدر الإشارة إلى أن جائزة نوبل مُنحت لعلماء طوروا تقنيات أسهمت بشكل كبير في فهم أفضل للجهاز العصبي، مثل نيهر وساكمان عام 1991 لتقنية التثبيت الموضعي ، وكذلك لاوتربور ومانسفيلد لعملهما في التصوير بالرنين المغناطيسي عام 2003.

• وولفرام غيرستنر وفيرنر إم. كيستلر، نماذج الخلايا العصبية الشوكية، الخلايا العصبية المفردة، المجموعات، اللدونة، مطبعة جامعة كامبريدج (2002). مؤرشف بتاريخ 24 مارس 2019 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine ) . رقم ISBN 0-521-89079-9رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 0-521-81384-0
• ألوين سكوت، علم الأعصاب: مدخل رياضي، بيركهاوزر (2002) ISBN 0-387-95403-1
• غرابن، بيتر؛ تشو، تشانغسونغ؛ ثيل، ماركو؛ كورتس، يورغن (2008)، "أسس الفيزياء العصبية"، محاضرات في علوم الأعصاب الحاسوبية الفائقة ، برلين، هايدلبرغ: سبرينغر ، ص 3-48 ، Bibcode : 2008lsn..book.....G ، doi : 10.1007/978-3-540-73159-7 ، ISBN  978-3-540-73159-7