ما هي علوم الأعصاب الحسابية؟ ولماذا يحتاج باحث الأحياء إلى البرمجة؟

علوم الأعصاب الحسابية (Computational Neuroscience) مجال يجمع بين علم الأعصاب والرياضيات والبرمجة لفهم كيف يعالج الدماغ المعلومات. فبدل الاكتفاء بوصف ما يحدث في الدماغ، يبني الباحثون نماذج رياضية وحاسوبية تحاكي عمل الخلايا العصبية والشبكات العصبية، ثم يختبرون هذه النماذج بمقارنتها بالبيانات الحقيقية.

كيف يدرس العلماء الدماغ؟

القياسات النفسية الفيزيائية والسلوك

القياسات النفسية الفيزيائية (Psychophysics) تدرس العلاقة بين المنبه الفيزيائي، مثل شدة الضوء أو الصوت، وما يدركه الإنسان فعلًا. وتُستخدم المخرجات السلوكية (Behavioural readouts)، مثل زمن الاستجابة ودقتها، لاستنتاج ما يحدث داخل الدماغ.

النشاط الكهربي للخلايا العصبية

تتواصل الخلايا العصبية عبر نبضات كهربية قصيرة تُسمى جهود الفعل (Action potentials أو Spikes). ودراسة توقيت هذه النبضات ومعدلها (Spiking activity) من أهم طرق فهم كيف تُرمَّز المعلومات في الدماغ.

إشارات الدماغ: EEG وMEG

تخطيط كهربية الدماغ (EEG) يقيس النشاط الكهربي للدماغ من فروة الرأس، وتخطيط المغناطيسية الدماغية (MEG) يقيس المجالات المغناطيسية الناتجة عن هذا النشاط. وكلاهما غير جراحي وله دقة زمنية عالية، ويُستخدمان في البحث وفي التشخيص السريري.

النمذجة: نموذج العصبون LIF

من أشهر النماذج في هذا المجال نموذج العصبون المتكامل المتسرب (Leaky Integrate-and-Fire أو LIF). فكرته بسيطة: يتراكم جهد الغشاء عند وصول مدخلات، ويتسرب تدريجيًا مع الوقت، وعندما يصل إلى حد معين يطلق العصبون نبضة ثم يعود إلى حالة الراحة. ورغم بساطته، يساعد هذا النموذج على فهم سلوك العصبونات وبناء شبكات أكبر.

لماذا البرمجة؟

لأن النماذج الحاسوبية تُكتب وتُشغَّل بالكود، ولأن بيانات الدماغ كبيرة وتحتاج إلى معالجة وتحليل. وتُعد بايثون من أكثر اللغات استخدامًا في هذا المجال لسهولتها وتوفر مكتبات علمية مثل NumPy وMatplotlib. وبناء نموذج LIF بنفسك خطوة بخطوة من أفضل الطرق لفهم المعادلات بدل حفظها.

لمن يناسب هذا المجال؟

يناسب طلاب العلوم والطب والهندسة الطبية والمعلوماتية الحيوية، وكل من يهتم بفهم الدماغ ويرغب في الجمع بين البيولوجيا والتحليل الكمي. ولا يشترط أن تكون مبرمجًا محترفًا في البداية، فالأساسيات تُتعلَّم مع التطبيق.

ابدأ من الأساس إلى التطبيق

تقدم دورة Computational Neuroscience على Biosyn Egypt سبع عشرة محاضرة باللغة العربية تبدأ بمقدمة في علم الدماغ والقياسات النفسية الفيزيائية والنشاط الكهربي وإشارات EEG وMEG، وتنتهي ببناء نموذج LIF بلغة بايثون. وإذا كنت جديدًا على البرمجة، فقد تبدأ أولًا بدورة Python in Bioinformatics.

أسئلة شائعة

س: ما الفرق بين علم الأعصاب وعلوم الأعصاب الحسابية؟
ج: علم الأعصاب يدرس بنية الجهاز العصبي ووظائفه بطرق مختلفة، وعلوم الأعصاب الحسابية فرع منه يستخدم النماذج الرياضية والمحاكاة الحاسوبية لفهم كيف يعالج الدماغ المعلومات.
س: ما الفرق بين EEG وMEG؟
ج: يقيس EEG الجهد الكهربي الناتج عن نشاط الدماغ عبر أقطاب على فروة الرأس، ويقيس MEG المجالات المغناطيسية الناتجة عن النشاط نفسه بأجهزة استشعار حساسة جدًا، وكلاهما يتميز بدقة زمنية عالية.
س: هل أحتاج إلى خلفية في الرياضيات؟
ج: تكفي أساسيات الرياضيات في البداية، وتُشرح المعادلات المطلوبة لنماذج مثل LIF خطوة بخطوة مع تطبيقها برمجيًا.