هل تحل نظرية الأوتار لغز الدماغ؟

هل تخبرنا نظرية الأوتار – “نظرية كل شيء” المثيرة للجدل في الفيزياء – بأي شيء عن الوعي والدماغ البشري؟

وبعيدًا عن النظرية نفسها التي ابتكرها بشر واعون باستخدام أدمغتهم، فليس هناك سبب كاف للاعتقاد بذلك. باختصار، نظرية الأوتار هي عالم مترامي الأطراف من الفيزياء النظرية التي تفترض أن الأوتار الصغيرة المهتزة هي الأساس الأساسي للواقع. وإذا كانت صحيحة، فإنها توفر طرقًا لتوحيد ميكانيكا الكم التي تحكم الكون على مقاييس صغيرة مع قوة الجاذبية التي تشكل الكون على مقاييس أكبر. لكن الأوتار المقترحة صغيرة جدًا بشكل لا يمكن تصوره، والرياضيات المرتبطة بها صعبة ومتنوعة للغاية، لدرجة أن النظرية تعتبر على نطاق واسع غير قابلة للتحقق تجريبيًا. وفي الوقت نفسه، فإن الوعي هو شيء زلق وغير محدد المعالم، ولكن يبدو عمومًا أنه خاصية ناشئة في علم الأحياء، مثل تجمعات الخلايا العصبية داخل أدمغتنا.

ولا يوجد أي تداخل ذي معنى بين هذه المجالات المتباينة إلى حد كبير. أم أنه كذلك؟ ورقة جديدة نشرت الأسبوع الماضي في طبيعة، يفترض أن بعض الرياضيات الغامضة لنظرية الأوتار تساعد في الواقع على تفسير أسلاك الخلايا العصبية في الدماغ، بالإضافة إلى تشعب “الشبكات المادية” الأخرى، مثل أطراف الأشجار، والأوعية الدموية، وعشبات النمل. “هذا العمل،” كما تهتف إحدى البيانات الصحفية المؤسسية، “يمثل المرة الأولى التي نجحت فيها نظرية الأوتار في وصف الهياكل البيولوجية الحقيقية”.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

يؤكد المؤلف البارز ألبرت لازلو باراباسي، الأستاذ المتميز وعالم الشبكات في جامعة نورث إيسترن، أن الورقة البحثية لا تدعي وجود أي علاقة عميقة ومباشرة بين نظرية الأوتار وعلم الأعصاب. بل إنه يوضح كيف يمكن استخدام التقنيات الرياضية التي تم تطويرها في نظرية الأوتار لوصف كيفية تنظيم الشبكات المادية نفسها بشكل أفضل. ولكن على الرغم من ذلك، فإن استخدام رياضيات نظرية الأوتار لفهم الأسلاك العصبية سيكون إنجازًا عمليًا بشكل مدهش، نظرًا لأن النظرية مرتبطة بشكل ضعيف بالواقع المادي، حتى أن الفيزيائيين المتشككين وصفوها بأنها “ليست خاطئة حتى”.

يقول باراباسي إن الارتباط المحتمل ينبع من حقيقة أن “الشبكات المادية مكلفة ماديًا، وبالتالي تحاول تحسين نفسها”، حتى لو لم نعرف بعد ما الذي يمكنها تحسينه بالضبط. إن أبسط نهج هو “مخطط الأسلاك” الذي يتبع أقصر الطرق بين أي عقدتين لتقليل الطول – ولكن عمليات المسح التفصيلية ثلاثية الأبعاد وخرائط الشبكات المادية كشفت عن أشكال هندسية متفرعة أكثر تعقيدًا واتصالات تظهر أنه يجب إجراء بعض التحسينات المختلفة. لذا، بدلًا من ذلك، سعى باراباسي وفريقه إلى شرح كيفية تحسين بنية الشبكات المادية للحد الأدنى من مساحة السطح بدلاً من العوامل الأخرى مثل الطول أو الحجم.

يقول: “بالنسبة للعديد من هذه الشبكات، مثل الجهاز الوعائي الذي يحمل الدم أو الخلايا العصبية التي تستخدم القنوات الأيونية لضخ الناقلات العصبية، فأنت تتحدث حقًا عن أنبوب، والتكلفة الأكبر هي بناء السطح”. “لكن نمذجة تصغير الأسطح هي مشكلة رياضية جحيمية لأنك تحتاج إلى إنشاء أسطح ناعمة محليًا تلتصق ببعضها البعض بطريقة مستمرة.”

أدرك شيانغي مينج، باحث ما بعد الدكتوراه السابق لباراباسي والمؤلف الأول للدراسة، وهو الآن أستاذ مساعد في معهد رينسيلار للفنون التطبيقية، أن الحساب الذي يبدو مستعصيًا كان مطابقًا بشكل أساسي لحساب قام علماء الأوتار بتطوير أدوات متطورة له بالفعل.

يقول مينج: “على الرغم من أن رياضيات الأسطح الدنيا لها جذور تاريخية عميقة، فإن عملنا يعتمد على تقدم محدد لا تقدمه الهندسة الكلاسيكية”، وهو نوع فرعي من نظرية الأوتار يسمى “نظرية مجال الأوتار المغلقة المتغيرة”، والتي طورها الفيزيائي بارتون زويباك وآخرون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الثمانينيات.

تسمح نظرية مجال الأوتار المغلقة المتغيرة للفيزيائيين بحساب التفاعلات الأكثر سلاسة وكفاءة – على غرار الأسطح الدنيا – بين أنواع معينة من الأوتار من خلال معاملتها كرؤوس (زوايا) وحواف؛ هذا النهج مهم للمحاولات القائمة على نظرية الأوتار لتوحيد الجاذبية وميكانيكا الكم. يقول مينج إنه في حالة الشبكات المادية، فإنها توفر طريقة لتمثيل نموها كسلسلة من الأسطح الشبيهة بالأكمام التي تم حياكتها معًا بسلاسة. ويقول: “من الأهمية بمكان أن التقليل الكلاسيكي يميل إلى طي الأسطح التي تشبه الأكمام إلى أسلاك تافهة”. “إن صيغة زويباك تمنع ذلك، وتحافظ على سمك محدود لكل رابط. هذه الرؤية الأساسية هي ما يسمح لنا بنمذجة الواقع ثلاثي الأبعاد للشبكات المادية، مثل الخلايا العصبية أو الأوردة، التي يجب أن تحتفظ بالحجم لتعمل.”

ثم اختبر الفريق نهجه مقابل عمليات مسح ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للشبكات المادية، بما في ذلك تلك الخاصة بالخلايا العصبية والأوعية الدموية وأغصان الأشجار والشعاب المرجانية. وفي كل حالة، وجدوا أن نموذج نظرية الأوتار أنتج تطابقًا أقرب من التنبؤات الكلاسيكية الأبسط. وعلى وجه الخصوص، قام نموذج الفريق بتكرار الأرقام ومحاذاة الفروع بشكل أكثر دقة. يقول باراباسي: “لذا فإن ما رأيناه هو سلوك لا يقتصر على الدماغ، ولكنه عالمي عبر الشبكات المادية”. “أعتقد أنها خطوة مهمة جدًا في فهم آليات كيفية ربط الأدمغة والشبكات المادية الأخرى ببعضها البعض ولماذا هي غير عادية.”

يقول مايكل ويندينج، عالِم أعصاب النظم في معهد فرانسيس كريك في إنجلترا، والذي لم يشارك في هذا العمل: “تُظهِر هذه الورقة البحثية جيدًا أنه إذا فكرت (في الشبكات المادية) من حيث تكاليف مساحة السطح بدلاً من طول السلك، فإن الأمور تصبح أكثر منطقية”. “هذا مثير للاهتمام حقًا. عادةً ما يفكر الناس في مساحة السطح من حيث تأثيرها على الخواص الكهربائية، مثل مدى سرعة تحرك الإشارات داخل الخلية العصبية بدلاً من اعتبارها تكلفة بناء. يبني خلية عصبية.”

أما فيما يتعلق بما إذا كان فهم توصيلات الدماغ يتطلب بالفعل تقنيات من حدود الفيزياء النظرية، فلا تزال هناك أسئلة. الخبراء الحقيقيون في كلا المجالين قليلون ومتباعدون. لكن أحدهم، وهو فيجاي بالاسوبرامانيان، وهو عالم في نظرية الأوتار وعالم فيزياء حيوية يركز على الدماغ في جامعة بنسلفانيا، متشكك.

ويقول: “لست متأكدًا من أن هذه الدراسة تمثل إنجازًا حاسمًا في فهمنا للشبكات الفيزيائية، وقد يجد العديد من الخبراء أن العلاقة المزعومة بنظرية الأوتار غير مقنعة”. “لذا فإن أي تأكيد على الأهمية الثورية هنا يبدو سابقًا لأوانه. ومع ذلك، فإن هذا الجهد المبذول لتطبيق المبادئ الفيزيائية لفهم الشبكات البيولوجية يمثل إضافة مرحب بها إلى المنح الدراسية في الفيزياء الحيوية وعلم الأعصاب، ونأمل أن يلهم المزيد من التحقيقات. “