تخطيط كهربية الدماغ

شعاع المجهر الإلكتروني عادةً يطير في الفراغ، مثل ساعي بريد على طريق سريع فارغ. أي جزيء هواء بالنسبة له هو مطبّ يقفز عنده ويفقد اتجاهه. لذلك، في السابق، لفحص عينة، كانوا يجمّدونها أو يجففونها أو يغطونها بمعدن — ومع ذلك كانوا ينظرون فقط في الفراغ. لكن الصدأ، وانصهار الزجاج، وتنفس المحفز، وحركة أرجل العث، كلها تحدث في الهواء، عند ضغط ودرجة حرارة قاتلين للمجهر العادي.

مع كل نبضة قلب تنطلق عبر شرايين الدماغ موجة لا تدفع الدم فحسب، بل تنفخ الوعاء للحظة. وجدار الشريان، كأنبوب مطاطي مشدود بإحكام، ينقل هذه الحركة إلى نسيج الدماغ المجاور، فينبض الأخير نبضًا بالغ الدقة على إيقاع القلب. الإزاحات ضئيلة، إذ لا تتجاوز أجزاء من المليمتر، لكنها هي التي قد تؤثر في كيفية تخليص الدماغ من فضلاته وفي توزّع الأدوية داخله.

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.

تسجيل الضوء فوتونًا فوتونًا يشبه سماع همس في ورشة صاخبة. الكاميرا ذات المضاعفة الإلكترونية (EMCCD - Electron Multiplying Charge-Coupled Device) قادرة على ذلك تمامًا: فهي تحول الفوتون الوحيد الذي يدخل البكسل إلى انهيار إلكتروني يمكن قياسه. تُثبت هذه الكاميرات على التلسكوبات لرصد كوكب خافت بجانب نجم ساطع. لكن للانهيار ثمن.

السجل الطبي هو بمثابة وقائع: زيارات الطبيب، التشخيصات، الوصفات، نتائج التحاليل. الطبيب، أثناء التعامل مع المريض، يضطر لمراجعة هذه الوقائع لاستعادة السياق. الآن، تتولى خوارزمية هذه المهمة، وتنجزها في ثوانٍ. طوّر الباحثون نموذج Foresight-E، وهو نظام تعلم آلي تدرّب على سجلات طبية مجهولة الهوية لنحو 61 مليون شخص، وهو عدد يقارب سكان إنجلترا.

يضع الطبيب السماعة الطبية على صدر المريض ويصغي: توك-توك، توك-توك. الإيقاع موجود، لكن كيف نقيسه إذا كان الجو ضجيجًا والمريض لا يستطيع البقاء ساكنًا؟ الأجهزة التقليدية تبحث في تسجيل نبض القلب عن قمم حادة — كما لو كانت تلتقط ضربات مطرقة. لكن إذا ضربت المطرقة وسادة بدلًا من سندان، تتبدد القمم ويضيع الجهاز. الطريقة الجديدة CORAL تعمل بشكل مختلف.

شعاع مصباح يدوي يخترق الضباب. كلما كان الضباب أكثر كثافة، زاد تشتت الضوء وتأخر وصوله إلى العين. مبدأ مشابه يعمل مع ومضات الراديو السريعة، وهي نبضات غامضة فائقة القوة من مجرات بعيدة. تتفاعل موجاتها الراديوية، أثناء مرورها عبر الفضاء الكوني، مع الإلكترونات الحرة، وهي جسيمات منفصلة عن الذرات. هذا التفاعل يؤخر الإشارة: فكلما زاد عدد الإلكترونات في المسار، زاد التأخير.

تم زرع خلايا من الأوعية الدموية على غشاء شفاف بسمك 700 نانومتر — أرق بمئة مرة من شعرة الإنسان. تحت الغشاء توجد أقطاب كهربائية مسطحة. ترسل هذه الأقطاب تيارًا مترددًا ضعيفًا وتستمع إلى تغيرات المقاومة. يشبه ذلك ميكروفونًا حساسًا يلتقط خطوات سكان جدد في شقة فارغة: في البداية صمت، ثم حفيف خفيف، ثم خطوات واثقة.

مخطط الدماغ المغناطيسي — جهاز يشبه خوذة مزودة بمئات المستشعرات — يلتقط المجالات المغناطيسية الضعيفة التي تولدها الخلايا العصبية أثناء عملها. عندما يستمع الشخص إلى كلام، تختبئ في هذه الإشارات بصمات الكلمات المسموعة. لكن استخراجها ليس بالأمر السهل: فالإشارة القادمة من آلاف المصادر تندمج في كتلة متشابكة.

ملعب ممتلئ بالمتفرجين يسمع صوت المُعَلِّق لأول مرة — فيهبّ الجميع دفعة واحدة. ثم يتكرر الإعلان مرة بعد أخرى. فلا يستجيب إلا حفنة من الناس في الصفوف القريبة. تقريبًا بهذا الأسلوب تتصرف الشبكات العصبية في العضيات الدماغية (cerebral organoids) — تلك النماذج المصغرة من الدماغ المُنمَّاة في المختبر. قام الباحثون بتحفيز العضيات بنبضات كهربائية وسجلوا الاستجابة بواسطة مصفوفة من الأقطاب الدقيقة.

زرعة العين لا تنقل إلى الدماغ صورة فوتوغرافية، بل نقاطًا ضوئية متفرقة نادرة تُعرف بالفوسفينات. لتمييز كوب أو مفاتيح في هذا الرذاذ، يضطر الشخص إلى تحريك رأسه مثل مصباح يدوي في الظلام، وجمع ملامح الجسم شيئًا فشيئًا. هذه عملية بطيئة تشبه تجميع أحجية أُلقيت معظم قطعها. حاولت مجموعة من الباحثين تلميح الدماغ عندما يكون مركزًا حقًا في البحث.

في كل مرة يستعد فيها طفل مصاب بالشلل الدماغي لتحريك ساقه، يحدث في دماغه وميض كهربائي مميز — انزياح بطيء في الجهد الكهربائي. يسميه العلماء "الجهد المرتبط بالحركة" (movement-related potential). يمكن لواجهة الدماغ-الحاسوب (نظام يقرأ النوايا من إشارات الدماغ) أن تلتقط هذا الوميض وتحوّله إلى أمر لجهاز التمرين. لكن هناك عقبة: قبل كل جلسة تدريب، يجب ضبط النظام لفترة طويلة ليتكيف مع الطفل المحدد.

مدينة ليلاً: في بعض النوافذ يضيء الضوء، وفي البعض الآخر يظلم. إذا وصلت بخطوط النوافذ التي تضيء في نفس الوقت، ستحصل على شبكة عنكبوتية من الاتصالات. هذه الشبكة درسها الباحثون على عضيات دماغية صغيرة — تجمعات حية من الخلايا العصبية نمت في المختبر. سجلوا الإشارات الكهربائية لعشرات الخلايا العصبية وبنوا شبكة تعتمد قوة الاتصال بين الخلايا فيها على مدى تزامن نشاطها.

للعثور على نوبة الصرع في تسجيل النشاط الدماغي، استخدم العلماء نهجًا يشبه التقاط الأصوات الحادة في غرفة صاخبة: فبدلاً من تفكيك جوقة موجات الدماغ (تخطيط كهربية الدماغ – EEG) بأكملها، قاموا بعزل أشد التغيرات المفاجئة فقط.

تشبه الخلية العصبية آلة موسيقية معقدة. لفهم كيفية استجابتها للمس، كان لا بد سابقاً من الاتصال بكل وتر على حدة — وهي عملية دقيقة وبطيئة ومتاحة فقط للخلايا المفردة. مصفوفات الأقطاب الدقيقة (شبكات من مئات الحساسات) تسمع الأوركسترا بأكملها دفعة واحدة، لكن فك رموز أي آلة تعزف بالضبط من الطنين الجماعي ظل صعباً لفترة طويلة.

القلب أحياناً يخرج عن إيقاعه — مثل أوركسترا تبدأ فيها آلات الكمان فجأة بالعزف كلٌّ على هواه. في مثل هذه الحالات، يبحث أطباء القلب عن المناطق «الخارجة عن النغمة» من خلال قراءة الإشارات الكهربائية للقلب، ويكوونها بدقة باستخدام مسبار رفيع — القسطرة. لكن هناك إزعاج: أداة الاستماع (الخريطة الكهربائية) وأداة الكي هما قسطرتان مختلفتان، ويجب إدخالهما إلى القلب بالتناوب عبر الأوعية الدموية. حركات زائدة، ووقت إضافي.

المترجم ينشغل بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هكذا هي الطريقة القياسية للبحث عن بؤرة الصرع: تنتظر العبارات الصاخبة — لحظات اندلاع النوبة في الدماغ. لكن الصرع يشبه محادثة تُقال فيها الكلمات المهمة ليس في الصراخ، بل في الصمت بين الجمل. بؤرة المرض غالباً ما تختبئ في هدوء عمل الدماغ الطبيعي. نظام EpiiSLM يعمل بشكل مختلف.

لحاف مرقّع، كل رقعة فيه تسجيل لنشاط جزء صغير من الدماغ. رقعة خيطت يوم الاثنين في لندن، وأخرى يوم الثلاثاء في نيويورك، والثالثة قبل شهر في طوكيو. هذه الفسيفساء كلها تغطي الدماغ جزئيًا فقط، ولا يوجد خيط مشترك يربطها. سابقًا، لرسم خريطة للاتصالات الموجهة — من يرسل الإشارة إلى من — كان يلزم تسجيل جميع المناطق في وقت واحد وبساعة موحدة. طريقة SPIDER تعمل بشكل مختلف.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل أيون هو عازف، ونبضات الليزر هي عصا قائد الأوركسترا. ولكن بمجرد أن يُحدث أحدهم حفيفًا في القاعة، يختلّ اللحن الدقيق للحالات الكمومية. في المصائد الأيونية، يلعب الضجيج الكهربائي الصادر عن سطح الأقطاب دور هذا الحفيف. فهو يقلّل من دقة العمليات، وكلما كان أقوى، كلما أسرع "المعالج الكمومي" في العزف خارج النغمة.

في الأرشيفات المفتوحة OpenNeuro وNEMAR، يوجد 791 تسجيلًا للنشاط الكهربائي للدماغ من ما يقرب من أربعين ألف شخص. إجمالاً، هذا يمثل 86,051 ساعة من الإشارات — أي ما يعادل حوالي عشر سنوات من الاستماع المتواصل. في السابق، كان الحصول على تسجيل واحد فقط من هذه التسجيلات يتطلب كتابة آلاف الأسطر من التعليمات البرمجية: التنزيل، وفك الضغط، وإصلاح أخطاء التنسيق، وتقطيع البيانات إلى أجزاء بالطول المطلوب.

عندما يغادر قائد الأوركسترا الفرقة، يستمر العازفون في العزف من الذاكرة لبعض الوقت. لكن دون إيقاع موحد، يبدأ كل واحد في التسارع أو التباطؤ من تلقاء نفسه، وتتحول السيمفونية المتناغمة إلى ضجيج متفرق. تقريبًا هكذا، وفقًا لدراسة جديدة، يتصرف الدماغ والقلب في الساعات الأخيرة من حياة الإنسان.

مصباح يدوي يضيء عبر الجلد والعظم ليُشغّل الخلايا العصبية بلطف في النقطة المطلوبة من الدماغ. هكذا يعمل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (Transcranial Magnetic Stimulation) — ملف على الرأس يولّد نبضات مغناطيسية قصيرة، وهذه الأخيرة تُطلق إشارات كهربائية في الخلايا. لكن إذا أملت المصباح أو أبعدته، ينحرف الضوء جانبًا.

إنسيلادوس قمر صغير لكوكب زحل، يغطيه قشرة جليدية سميكة. وتحتها يتلاطم محيط مالح، وربما تعمل في الأعماق نواة حارة مسامية – مثل إسفنجة مشبعة بالماء والحرارة. لكن كيف ننظر عبر عشرات الكيلومترات من الجليد؟ لن نحتاج إلى الحفر: يمكننا استخدام «صدى» كهرومغناطيسي. شخص يحمل جهاز كشف المعادن يمشي على الشاطئ. يرسل الجهاز إشارة، ومن خلال الاستجابة يحدد ما هو مخفي في الرمال – عملة معدنية أم أنبوب صدئ.

تخترق الموجات فوق الصوتية العظم كما يخترق ضوء الشمس الزجاج المصنفر، لكن الصورة الناتجة تكون ضبابية. عظم الجمجمة غير منتظم وكثيف، فهو يبعثر الموجات الصوتية، مما يجعل الوصول بدقة إلى النقطة المطلوبة في الدماغ أمرًا صعبًا. تحاول الأجهزة التقليدية تصحيح ذلك باستخدام الإلكترونيات، لكن النتيجة تظل بعيدة عن المثالية.

يسمع الإنسان رنينًا غير موجود. يطلب الطبيب وصفه — من حيث الشدة والحدة والاستمرارية. لكن هذا وصف ذاتي: يقول أحدهم «مثل صوت بعوضة»، وآخر «مثل بخار من غلاية». نحتاج إلى طريقة لرؤية الطنين مباشرة، في الدماغ نفسه. يسجل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) الموجات الكهربائية للدماغ من فروة الرأس — بسرعة وبدون ألم، مثلما يلتقط الميكروفون الصوت.

كل حرف علة هو شكل خاص للفم واللسان والبلعوم. عندما ينطق الإنسان «أ» أو «إ» أو «و»، لا يتغير الهواء داخل الرأس فحسب، بل يتغير أيضًا كيف تمر عبره موجات الراديو. نظر الباحثون إلى هذه العملية باستخدام صور الرنين المغناطيسي الملتقطة أثناء الكلام مباشرة، وبنوا نموذجًا حاسوبيًا دقيقًا للرأس — من العظام إلى الأنسجة الرخوة.

يضيء مصباح يدوي العين، فترسل الشبكية في المقابل نبضات كهربائية — مثل صدى، لكنه ليس صوتيًا بل ضوئيًا. يمكن تسجيل هذا الصدى، وهو يخبرنا عن عمل العين والدماغ معًا. فالشبكية هي قطعة من الدماغ أُخرجت إلى الخارج. سجّل باحثون من أستراليا وبريطانيا هذه «الأصداء» لدى ثلاث مجموعات من الأطفال: أطفال طبيعيون، وأطفال مصابون بالتوحد، وأطفال مصابون بمزيج من التوحد واضطراب نقص الانتباه وفرط الحركة (ADHD).

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.

في الليل، داخل غرفة مظلمة، يتوهج جسم الإنسان بشكل خافت بالكاد يُلاحَظ. هذا الضوء ضعيف جدًا لدرجة أن الأجهزة شديدة الحساسية فقط هي التي تلتقطه. ظن بعض العلماء أن هذا التوهج الصادر من الرأس قد يخبرنا عن نشاط الدماغ — دون الحاجة إلى أجهزة التصوير المقطعي أو الأسلاك. لكن الفحص أظهر خلاف ذلك. عندما قيس الضوء المنبعث من الرأس في ظروف مظلمة حقًا، اتضح أنه أضعف بعدة مرات مما كان عليه في التجارب السابقة.

ينام الإنسان بينما يواصل قلبه سرد الحكايات. إيقاع النبضات، والفواصل بينها، وموجات التنفس — كل ذلك يتغير من مرحلة نوم إلى أخرى. في مختبرات النوم، يُقرأ هذا عبر عشرات الحساسات: على الرأس والوجه والساقين والصدر. إنه أمر ثقيل ومكلف وغير مناسب للاستخدام المنزلي. يقترح العمل الجديد الاكتفاء بتخطيط كهربية القلب بأحد الأقطاب (single-lead ECG) — وهو نفسه المستخدم في أجهزة هولتر (Holter monitors) واللصقات الطبية.

البوتاسيوم في الدم مثل الملح في الحساء: زيادة طفيفة عن المعدل الطبيعي، ويبدأ القلب في الاضطراب. عادةً ما يتابع الأطباء هذا المعدن عبر تحاليل من الوريد، لكن بالنسبة للأشخاص الذين يعانون من أمراض الكلى أو ضعف القلب، تتحول الزيارات المتكررة للمختبر إلى عذاب.

تمر الموجات الراديوية التي تتأرجح أقل من مرة واحدة في الثانية عبر الأرض والماء دون خسائر تذكر. تُستخدم هذه الإشارات للاتصال بالغواصات والبحث عن المعادن. لكن الهوائي العادي لهذه الموجات يحتاج إلى طول مئات الأمتار، وحساسيته تترك الكثير مما هو مرغوب فيه. اقترح الفيزيائيون استبدال الهوائي بسحابة من ذرات الروبيديوم في قارورة زجاجية.

يأتي مريض مصاب بالفصام لإجراء يشبه وخزًا خفيفًا في الأذن. يشغّل الطبيب جهاز تحفيز كهربائي صغير مثبت على صيوان الأذن — وبعد بضعة أسابيع، تتراجع اللامبالاة والانعزال لدى البعض، بينما لا تتغير لدى آخرين إطلاقًا. حتى الآن، كان من المستحيل التنبؤ بذلك. قررت مجموعة من الباحثين النظر إلى الدماغ قبل بدء العلاج.

لا ينقبض القلب كله دفعة واحدة، بل على شكل موجة: تجري الإشارة الكهربائية عبر العضلة، ويتبعها الانقباض كتموج على سطح الماء. في اضطراب النظم، تضطرب هذه الموجة — فتتأخر في موضع وتدور في حلقة في موضع آخر، ويبدأ المضخة في العمل بشكل غير متناسق. اليوم، لا يمكن رؤية هذه الموجة من الداخل إلا بإدخال قسطر مزود بأجهزة استشعار في القلب — وهو إجراء ليس باللطيف.

يحاول البعض أحيانًا رؤية الاكتئاب في الموجات الكهربائية للدماغ. المنطق بسيط: إذا كان للمرض مراحل — حادة، وصيانة، وتعافٍ — فإن الإشارات يجب أن تتغير تدريجيًا، مثل شدة الصوت عند إدارة المقبض. أخذ العلماء تسجيلات تخطيط كهربية الدماغ (EEG) لـ 74 شخصًا: 24 في المرحلة الحادة، و23 في مرحلة الصيانة، و27 أصحاء. واختبروا ما إذا كانت المؤشرات التقليدية للموجات تتناقص أو تتزايد على درجات من المرض إلى الطبيعي.

تخطيط القلب الكهربائي يشبه تسجيل صوت المحرك: فالميكانيكي الخبير يسمع من خلاله متى يكون هناك خلل. الموجات فوق الصوتية للقلب تُظهر المحرك نفسه من الداخل، لكن الجهاز مكلف والمتخصصون قليلون. النموذج الجديد يجمع بين النهجين: فهو يتعلم من ملايين التخطيطات القلبية العادية ويشير إلى من تغيّر قلبه بالفعل، رغم أن الشخص لا يشعر بذلك.

مخطط كهربية القلب (ECG) يشبه شريطًا طويلًا يترك فيه القلب بصمة خطه. يفحصه الطبيب ليلاحظ اضطرابات النظم، لكن عندما يستمر التسجيل عدة أيام، يمتد الشريط لمسافة كيلومترات. تتعب العين، ويتشتت الانتباه، وقد تفوت اضطرابات نادرة لكنها خطيرة. يعمل نظام AI-HEART كمساعد لا يعرف الكلل، يراجع الشريط كاملًا دون انقطاع.

ينبض القلب، وعلى شريط تخطيط القلب الورقي تبدو كل نبضة كقمة حادة ذات حدبتين: ارتفاع سريع، ثم موجة أصغر، ثم هبوط. ينظر الطبيب إلى هذا الشريط فيرى الإيقاع، لكن شكل كل قمة — أي كيفية انقباض العضلة — يصعب تمييزه، خاصة إذا استمر التسجيل أربعًا وعشرين ساعة. الطريقة الجديدة تحوّل هذا الشريط إلى سجادة ملونة. تُقطع كل نبضة إلى أجزاء وتُرصّ تحت بعضها البعض مثل صفوف البلاط.

فأر يجري على المضمار — ليس لأن محركًا يدفعه، بل لأنه هو من أراد ذلك. على جمجمته شبكة من 32 حساسًا صغيرًا، تشبه قبعة السباحة لكن بأسلاك. تلتقط الحساسات الموجات الكهربائية الضعيفة التي يصدرها الدماغ. سابقًا، لفهم السرعة التي يجري بها الحيوان، كان لا بد من زرع أقطاب كهربائية مباشرة في الدماغ. الآن اتضح أن مجرد وضع الحساسات على الرأس يكفي — وكل شيء يصبح واضحًا.

مخطط القلب ليس مجرد خط متموج على الورق. فيه، كما في مذكرات شخصية، تُسجَّل حالة القلب بأكملها: النظم، وسماكة الجدران، وإشارات إلى مشاكل مستقبلية. لكن البرامج التي تتعلم قراءة هذه المذكرات تُدرَّب حاليًا على مهام ضيقة جدًا — بشكل أساسي على البحث عن اضطرابات النظم. هذا مثل تعليم شخص فهم كتاب من خلال إظهار قائمة الأخطاء المطبعية فقط. قرر مؤلفو الدراسة التحقق من مدى إنصاف تقييم هذه البرامج.