مطيافية طبية حيوية

يحرّك قائد الأوركسترا عصاه، فتنتج الفرقة ليس مجرد صوت، بل نوتة معقدة: كل نغمة تصدر في لحظتها، وعلى ارتفاعها الصوتي، وبالقوة المطلوبة. يمكن للضوء أيضًا أن يكون نوتة موسيقية، إذا تحكمنا في طيفه وزمانه. سابقًا، تطلّب ذلك منشآت ضخمة لا يمكن إعادة ضبطها بعد التجميع. الآن، ابتكر الباحثون رقاقة فوتونية قابلة للبرمجة تقود نبضات الضوء، بينما تقترح شبكة عصبية كيفية تحقيق النمط المطلوب.

توجد شريحة رقيقة من خشب الأوكالبتوس تحت عدسة المجهر، وبعد مرور الضوء الأبيض عبر مرشحين للاستقطاب، يتحول الخشب إلى فسيفساء من بقع أرجوانية وصفراء وزرقاء. هذه الألوان ليست عشوائية؛ فهي، مثل الحروف على الخريطة، تُظهر اتجاه خيوط السليلوز غير المرئية داخل جدران الخلايا.

يتلقى رسام الخرائط ورقة تحتوي على مسافات بين مئات الجزر المجهولة. لا جزيرة موسومة، لكن المسافات تتكرر وتتراكم في مثلثات ورباعيات. من هذه التكرارات، يعيد رسام الخرائط بناء خريطة الأرخبيل دون معرفة اسم أي جزيرة. هذا تقريبًا ما تقوم به دراسة جديدة في التحليل الطيفي الجزيئي. مطياف SCALS هو مرنان طوله 42 سم، يقطع فيه الضوء مسافة 28 كم، مثل مسافة ماراثون.

في غرفة مظلمة، يمر شعاع الشمس عبر ثقب دبوس في الورق المقوى، فتظهر على الجدار صورة مقلوبة للشارع. الكاميرا ذات الثقب لا تحتاج إلى عدسات: الثقب الصغير نفسه يختار الأشعة القادمة من كل نقطة في المشهد. طبق علماء من ESRF هذا المبدأ ليس على الضوء بل على الأشعة السينية، وجعلوا الكاميرا ترى التركيب الكيميائي بدل الشكل.

الضوء الناشئ عند دخول إلكترون سريع إلى مادة ما يُعتبر عادةً متناحيًا (Isotropic) — أي متماثلًا في جميع الاتجاهات. لكن في البلورات، حيث تعتمد الخصائص البصرية على الاتجاه، ليس الأمر كذلك. مرر يدك على قطعة مخمل: في اتجاه واحد يكون ناعمًا ولامعًا، وفي الاتجاه الآخر يكون داكنًا وخشنًا. هكذا تتفاعل البلورة مع الضوء بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاهها.

ينظر الطبيب إلى الشاشة ويرى صورتين لنفس المنطقة من الجسم. إحداهما تُظهر أين يكون الدم غنيًا بالأكسجين، والأخرى تُظهر مدى سرعة تدفقه عبر أدق الأوعية الدموية. في السابق، كانت هذه الصور تُلتقط بأجهزة مختلفة، وكان من الصعب دمجها. الآن، جمع المهندسون جهازًا يلتقط الصورتين في وقت واحد. داخل الجهاز توجد لوحة مسطحة تحتوي على العديد من مستشعرات الموجات فوق الصوتية الصغيرة، مثل قرص عسل مزوّد بميكروفونات.

قطرة دم من الإصبع تسقط على غشاء أبيض في البطاقة. بعد عشرين دقيقة، يظهر الهاتف الذكي: داء لايم موجود أم لا. لا أنابيب اختبار، ولا جهاز طرد مركزي، ولا انتظار لعدة أيام. عادةً، لمثل هذا التحليل، يُفصل الدم أولاً بالطرد المركزي لفصل البلازما — الجزء السائل من الدم الذي يُبحث فيه عن الأجسام المضادة (بروتينات واقية ينتجها الجسم ضد البكتيريا).

عندما يمر الضوء عبر سائل عكر، مثل كوب من الماء المخلوط بالطين، فإنه يضعف — إذ تُمتص بعض الفوتونات بواسطة جزيئات الوسط. على هذا المبدأ تعمل العديد من الأجهزة لتحليل السوائل: بقياس نسبة الضوء المفقود يمكن الاستدلال على التركيب. لكن إذا كان الوسط غير متجانس، مثل حساء يحتوي قطعًا من الخضروات، فإن رقمًا إجماليًا واحدًا لا يكفي: من الضروري معرفة أين يكون الامتصاص أقوى وأين يكون أضعف.

كومة من أوراق اللعب ملقاة بلا حراك. يمكنك أن ترفع البطاقة العلوية بإصبعك وتزيحها — هذا تدخل خشن. أو يمكنك أن تنفخ بحيث يتغير شكل الكومة كلها للحظة، لكن الأوراق لا تتطاير. هكذا تقريبًا يعيد الضوء في تجربة جديدة ترتيب بلورة سيلينيد القصدير (SnSe). عادةً، لتغيير بنية مادة صلبة، يُسخَّن الجسم أو يُمرَّر فيه تيار كهربائي.

يقضي الطبيب سنوات في تعلم التعرف على الأمراض من صور الدماغ. في البداية، يرى علامات الشيخوخة بوضوح، ثم يتقن التعرف على الأورام — وفجأة يبدأ في الخلط بين ما كان يعرفه سابقًا. وهذا هو الحال تقريبًا مع العديد من الشبكات العصبية: المعرفة الجديدة تمحو القديمة. تُعرف هذه الظاهرة بالنسيان الكارثي (catastrophic forgetting) — عندما تفقد النماذج المدربة على مهمة جديدة دقتها في المهام السابقة.

يمكن جعل جرس مخبأ في صندوق سميك يرن دون فتح الغطاء. يكفي إرسال موجة صوتية عبر الجدران — وسيهتز اللسان. هكذا تقريبًا يعمل التحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة: يمر الصوت عبر عظام الجمجمة ويجعل الخلايا العصبية — الخلايا القابلة للاستثارة الكهربائية — في عمق الدماغ "ترن"، أي تولد نبضات كهربائية.

العلاج الإشعاعي هو ضربة موجهة نحو الورم، لكن كل طلقة يجب أن تُضبط بدقة المليمتر وجزء من الثانية. المشكلة أن مقاييس الجرعات الحالية إما ضخمة، أو تشوه الحزمة نفسها، أو تتطلب توقفات للقراءة. مجموعة من الباحثين تجاوزت هذه العقبات باستخدام المادة الأكثر انتشارًا على الأرض — الماء.

تعمل الكاميرا أحادية البكسل مثل رسام يرسم لوحته عبر استنسل مليء بالثقوب. في كل إطار، يصل إلى المستشعر الوحيد جزءٌ فقط من الضوء، معدَّلًا بواسطة قناع — وهو مُعدِّل ضوء مكاني (spatial light modulator) — ثم يعيد الكمبيوتر بناء الصورة الكاملة بتجميع هذا الفسيفساء عبر خوارزميات حسابية. في السابق، كان تسلسل الأقنعة ثابتًا: وكأن الرسام يستخدم دائمًا نفس الاستنسل دون أن يتأمل المشهد.

الصور الطبية هي في جوهرها خرائط لكثافة الأنسجة: حيث يرمز سطوع كل بكسل إلى الخصائص المحلية للوسط، تمامًا كما تسجّل الفوتومترية — فرع من البصريات يقيس شدة الضوء قوة الإشعاع. تعالج خوارزميات التقسيم التقليدية البكسلات بشكل مستقل، مما يؤدي إلى حدود خشنة وغير طبيعية للأعضاء — وهي تشوهات تعيق التفسير.

لا تُنتج أجهزة التصوير المقطعي صورًا جاهزة مباشرة. مبدأ عملها هو جمع العديد من "الظلال"، أي إسقاطات البنية الداخلية، من زوايا مختلفة أو باستخدام إشارات فيزيائية متنوعة. ثم تقوم الخوارزميات الرياضية بإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد من هذه الإسقاطات.

كل عملية فناء بوزيترون تشبه ظهور راقصين يتحركان بتناغم، مربوطين بخيط غير مرئي من الاستقطاب. ينطلق فوتونا أشعة غاما بعيداً، لكن حالتيهما تظلان متشابكتين: قياس أحدهما يحدد الآخر فوراً – كما لو أن أحدهما يستشعر حركة الآخر فوراً مهما كانت المسافة.

مصوّر يلتقط صورة لعدّاء بتعريض طويل — فيحصل على شكل ضبابي. هكذا تقريبًا يرى جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي الأعضاء المتحركة: القلب ينقبض، والرئتان تتنفسان، فتصبح الصورة مشوشة. لتجنب ذلك، يُطلب من المريض أن يتجمد ويحبس نفسه. لكن بالنسبة لطفل أو شخص يعاني من ضيق التنفس، يكاد يكون هذا مستحيلًا. طريقة تُدعى GRASP تحل المشكلة بشكل مختلف.

عند الحاجة إلى فحص الدماغ من الداخل، عادةً ما يُوضع الشخص في أنبوب ضيق لجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي أو يُعرَّض لأشعة الكمبيوتر المقطعي. كلتا الطريقتين مكلفتان وضخمتان وغير متاحتين دائمًا. درس المهندسون بديلًا — وهو رادار يرسل نبضات راديوية ضعيفة ويلتقط انعكاساتها من طبقات الأنسجة المختلفة.

قطرة دم من الوريد تتعرض لثلاثة أشعة، وكل شعاع يستخرج أدلته الخاصة. الأشعة تحت الحمراء تجعل الجزيئات تهتز — ومن هذا الاهتزاز يُعرف مقدار السكريات والدهون في العينة. الليزر الأخضر يتشتت على البروتينات والدهون، متغيرًا لونه — وهكذا تظهر إعادة ترتيب الأغشية الخلوية. الأشعة فوق البنفسجية تستخرج توهجًا خافتًا من الأحماض الأمينية والفيتامينات — صورة استقلابية.

نبضة ليزر قصيرة تضرب جزيء اليود، فتبدأ ذراته بالاهتزاز وكأنها كرة على زنبرك. يرصد العلماء هذه الاهتزازات باستخدام نبضة ثانية عريضة النطاق تلتقط الطيف في لحظات زمنية مختلفة. اتضح أن الاهتزازات في الحالة المثارة B تنزاح بسرعة في التردد وتخفت، ثم تظهر اهتزازات في الحالة A. يشبه ذلك سباق التتابع: يتحلل الجزيء، لكن المذيب، مثل قفص، يُبقي الشظايا متقاربة، فتعيد الاتصال وتنقل طاقة الاهتزاز إلى الحالة الجديدة.

لهب الشمعة يرتجف من تيار الهواء لكنه لا ينطفئ — فاللسان يغير شكله للحظة ثم يعود. تقريبًا هكذا تتصرف السكيرميونات الضوئية الفحص المجهري الضوئي — دوامات صغيرة في مجال الشعاع تشبه الدوامات المائية. حتى وقت قريب، كانت تُنتج فقط في ضوء ليزر مثالي ومستوٍ. أدنى تموج — وتتفكك الدوامة.

يمر شعاع الليزر عبر الخلية، فتردّ على اللمس — مثل وتر مشدود يُضرب بإصبع. من تردد هذا «الرنين» يمكن معرفة مدى صلابة المادة أو مرونتها. هكذا يعمل الفحص المجهري بريلوين، المسمى تيمنًا بالفيزيائي الفرنسي ليون بريلوين. لكن لهذه الطريقة مشكلة: إنها بطيئة، لأن الشعاع يمسح نقطة بنقطة. التسريع اقتُرح منذ زمن — وهو إطلاق ليس نقطة واحدة بل خطًا كاملًا من الضوء دفعة واحدة.

الإصبع حساس حي: تحت الجلد تنبض الشرايين بإيقاع القلب. أجهزة قياس الضغط التقليدية تضغط على الذراع وتعطي رقمًا واحدًا، أما هذا الخاتم المزود بثمانية أقطاب فيمرر تيارًا ضعيفًا، ومن طريقة مروره عبر الأنسجة يرسم صورة لتدفق الدم. وكأنك ترى نهرًا تحت الجليد: التيار يلتف حول العوائق ويُظهر أين يتدفق أسرع. يضم الخاتم 32 قناة، وكأنها 32 نافذة صغيرة على الأوعية الدموية.

داخل كل خلية توجد محطات طاقة صغيرة تسمى الميتوكوندريا. تحرق هذه المحطات المواد الغذائية وتخزن الطاقة. وتتابع هذه العملية جزيئان مساعدان: NADH و FAD. في السابق، كان يتم رصدهما من خلال توهج خافت، لكن هذا التوهج كان ضعيفًا وكانت الإشارات من الجزيئات المختلفة تختلط معًا. أما المجهر الجديد فيعمل بطريقة مختلفة. فهو يرسل شعاعين من الضوء إلى الخلية ويلتقط الحرارة الضئيلة التي تنشأ عندما يمتص الجزيء الضوء.

قارع الطبل يصمت، لكن من خلال فترات الصمت يمكن معرفة أين لم يضرب. وهكذا بنى الفيزيائيون الصورة، ليس بالتقاط الضوء، بل بالتقاط لحظات الظلام المطلق. صورة ظهرت من الصمت. في التجربة، وُجّه ضوء مصباح عادي إلى الجسم. ثم استُبعدت بلا رحمة جميع الومضات التي انعكست فيها الفوتونات عن الجسم.

داخل كل خلية توجد شبكة من الأنابيب الرفيعة — الأنابيب الدقيقة. تعمل هذه الأنابيب كسقالات بناء وقضبان في الوقت نفسه: فهي تحافظ على شكل الخلية وتنقل البضائع. تتكون هذه الأنابيب من بروتين التوبيولين (tubulin) وتتوهج بشكل طبيعي خافت تحت الأشعة فوق البنفسجية.

تتحرك الذرات في الحزمة بسرعات مختلفة، مثل العدائين في الملعب. النبضة الليزرية العادية تدفع فقط أولئك الذين يتحركون بسرعة واحدة، بينما الجديدة تعمل مثل مدرب يعطي أوامر للمجموعة بأكملها في وقت واحد. هذا النهج يُشرك عددًا أكبر من الذرات في القياس. في تجربة باستخدام مقياس تداخل ماخ-تسندر الذري، كان توزع السرعات أكبر بـ 17 مرة من عرض الخط الليزري.

يقوم أخصائي علم الأمراض بتلوين شريحة نسيجية بالهيماتوكسيلين والإيوسين — فتتلوث الخلايا بالأزرق والوردي، وتحت المجهر يظهر شكلها وترتيبها. لكن لا يمكن قراءة الجينات النشطة في كل خلية من هذه الصورة. لهذا يلزم فحص منفصل ومكلف يُظهر نشاط آلاف الجينات دفعة واحدة، لكنه نادراً ما يُجرى.

الشامة على الجلد تشبه فسيفساء من قطع ملونة. كل قطعة هي منطقة صغيرة من الصورة لا يتغير لونها وملمسها تقريبًا. تُسمى هذه القطع بالبكسلات الفائقة (superpixels). إذا رُبطت هذه القطع بخطوط، نحصل على شبكة تشبه خريطة المترو: المحطات هي القطع، والخطوط هي الروابط بينها. يُظهر وزن كل خط مدى قوة الارتباط بين قطعتين.

المجهر الضوئي العادي يصطدم بحد: فهو لا يميّز نقطتين إذا كانت المسافة بينهما أقل من 200 نانومتر — أي ما يعادل سمك فقاعة صابون مقسومًا على مئة. للنظر أعمق، كان العلماء يجبرون الجزيئات في العينة على الوميض أو البهتان، لكن هذه الحيل بطيئة وتضر بالخلايا الحية. الجهاز الجديد — مجهر الكشف المهيكل (Structured Detection Microscope) — يفعل الأمر بشكل مختلف.

الضوء تحت الأحمر غير مرئي للعين، لكنه في كل مكان: من جهاز التحكم عن بعد في التلفاز إلى حرارة جسم الإنسان. لالتقاطه، نحتاج إلى مواد خاصة. الكاشفات التقليدية ضخمة، وصلبة، وضعيفة الضبط على الطول الموجي المطلوب. توجه الباحثون إلى الفوسفور الأسود، وهو مادة طبقية يمكن تقشيرها إلى غشاء بسماكة ذرات معدودة.

النقطة الكمومية تشبه مصباحًا مفردًا يُضاء ويُطفأ بأمر من الليزر، ويصدر فوتونًا واحدًا بالضبط في كل مرة. لكن لهذا الضوء خصوصية: الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها، بل تطير باستقلالية، مثل قطرات عشوائية من صنبور. مرّر العلماء هذا الضوء عبر جهاز من مرآتين وفاصلَي حزمة — مقياس ماخ-تسندر التداخلي.

البروتين في الخلية يشبه زنبركًا ملفوفًا بإحكام. شكله يحدد وظيفته، لكن رؤية هذا الشكل في جزيء منفرد دون الإضرار به كانت شبه مستحيلة. المجهر الجديد يعمل بطريقة مختلفة: فهو يرسل نبضة ليزر قصيرة تسخّن الجزيء قليلًا. فتبدأ الجزيئات بالاهتزاز بسبب الحرارة، وهذه الاهتزازات تشبه صوتًا فريدًا يمكن من خلاله التعرف على البروتين نفسه وحالته.

عند علاج سرطان البروستاتا، غالبًا ما يرى الأطباء ليس ورمًا واحدًا، بل بؤرًا متعددة في العظام والعقد الليمفاوية. قد تستجيب كل بؤرة للعلاج بشكل مختلف: واحدة تتقلص، وأخرى تبقى كما هي، وثالثة تنمو. في السابق، كان يتم تقييم المرض ككل — كما لو أنك تحكم على الطقس من متوسط درجة الحرارة السنوية. الآن أصبح من الممكن متابعة كل بؤرة على حدة.

في المستشفى، عادةً ما تُرسل عينة الدم من الإصبع إلى المختبر، ويعود النتيجة بعد يوم كامل. الطريقة الجديدة تعد بتقليص هذه الرحلة إلى بضع دقائق. فبدلاً من التقاط الضوء المنعكس من العينة، تقرأ الجهد الكهربائي الناشئ عند الحدود بين وسطين — مثل الوخز الخفيف عندما تلمس بطارية بأصابع مبللة. وتبين أن هذه الإشارة مستقرة ودقيقة بشكل مدهش. اختبر الباحثون الطريقة على أنواع مختلفة من التحاليل.

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي يشبه كاميرا تلتقط صورًا للداخل، لكنها بطيئة جدًا. يجب على المريض أن يبقى ساكنًا لعدة دقائق، بينما يستمر القلب في النبض. إذا تحرك الشخص أو اختلّ الإيقاع، تصبح الصورة ضبابية. يضطر الأطباء إلى تكرار الفحص، مما يهدر الوقت والجهد. الطريقة الجديدة تحل هذه المشكلة بطريقة غير تقليدية.

الفوتونات المتشابكة الفوتونات هما رسولان يسيران بخطى متزامنة: حالاتهما الكمومية، وخاصة الاستقطاب، مترابطة بحيث أن قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر، حتى عبر المسافات. في المادة، يختل هذا التزامن. من خلال طبيعة الاضطراب، يمكن تحديد ما وُجد في الطريق: مفترق طرق بدد المسارات، أو دوامة مغناطيسية لوت الخطى.

كي لا يفقد الطائرة بدون طيار لاعب كرة القدم السريع في الإطار، لا تحتاج إلى منارة ساطعة، بل يكفي التعرّف على الهيئة. هكذا تماماً تراقب الشبكة العصبية الميكروبات الآن: تحلل الخوارزمية الصورة العادية من المجهر وتجد البكتيريا فوراً في قطرة الماء.

يُضاء الإصبع بشعاع ليزر، فيعود جزء من الضوء بعد أن يكون قد اخترق الداخل. هكذا تعمل مطيافية رامان التحليل الطيفي: جزيئات العظم والجلد تغيّر لون الشعاع المنعكس بطرق مختلفة، تاركةً فيه بصمتها الكيميائية. لكن الجلد والعضلات والدهون تعيق بشدة — إشارتها تطغى على إشارة العظم، كما يطغى ضجيج الحشد على صوت مغنٍّ واحد.

اضرب على شوكة رنانة — فتصدر نغمة نقية واحدة. لكن إذا كانت الشوكة تهتز، وكان حولها ضجيج الناس، فلن يكون الصوت مثاليًا. هكذا الجزيئات أيضًا: كل واحد منها يمتص ضوءًا بلون معين، ولكن بسبب اهتزازه الخاص وتزاحم جيرانه، يتلاشى هذا اللون قليلًا. ابتكر مؤلفو المقال طريقة لإظهار ذلك للطلاب دون معادلات معقدة.