تقنية تسجيل الأعصاب

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) هو جهاز يستخدم مجالًا مغناطيسيًا قويًا لدفع ذرات الهيدروجين في الجسم إلى الاصطفاف، ثم يسجل الإشارة الصادرة عنها. عادةً ما تشغل هذه الأجهزة غرفة كاملة وتكلف مثل منزل جيد. قرر مهندسون من عدة مختبرات صنع جهاز تصوير يمكن وضعه في حقيبة سفر، ونشروا جميع التصميمات في المجال العام.

يُسلط الجهاز شعاعًا تحت أحمر على العينة، فترد الجزيئات بنمط امتصاص مميز، كأجراس مختلفة النغمات. هذا النمط، أي الطيف، يحمل معلومات عن التركيب الكيميائي. لكن لقراءته، عادة ما يرجع الأخصائي إلى مكتبة من السجلات الجاهزة، وهذا بطيء وغير ممكن دائمًا.

صورتان لنفس الدماغ مأخوذتان في وقتين مختلفين تشبهان صورتين لمنزل قبل وبعد التجديد. لفهم ما تغير، تُطبق الصورتان فوق بعضهما وتحلل الاختلافات. لكن جهاز التصوير ليس كاميرا مثالية: فهو يضيف تشوهات بنفسه، وكأن الصورة التُقطت عبر زجاج غير مستوٍ قليلاً. سابقاً، لم تكن البرامج تميز بين التغيرات الحقيقية وتلك الناتجة عن الجهاز.

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.

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.

التواصل مع الخلايا العصبية الحية يشبه ضبط جهاز راديو قديم: المهم ليس فقط التقاط الموجة الصحيحة، بل أيضًا توجيه الهوائي بدقة.

المجهر الإلكتروني هو أرغن ضخم: بدلاً من الأنابيب — عدسات كهرمغناطيسية، وبدلاً من الهواء — تيار من الإلكترونات المسرّعة. في السابق، كان يرسم فقط لوحات جدارية صامتة عن العالم الذري، محملاً العلماء بفك تشفير مرهق. أما الآن فقد دخل القائد إلى القاعة — التعلّم العميق، محوّلاً نشاز البكسلات إلى سيمفونية من البنى، حيث كل ذرة نغمة.

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.

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.

تصوير خيط عنكبوت رفيع يرتجف في الريح — هكذا تبدو تقريباً مهمة النظر إلى أوعية الدماغ الحي. يحوّل الفحص المجهري بالموجات فوق الصوتية (ULM) الموجات فوق الصوتية العادية إلى أداة قادرة على رؤية الشعيرات الدموية الفردية، لكن فقط إذا تم ضبط الإعدادات بدقة متناهية. مجموعة البيانات الجديدة، المسماة ULMShare، هي بمثابة ساحة لعب مشتركة للمهندسين والعلماء.

حفلة موسيقية صاخبة تملأ المكان بأعلى صوت، وأنت تحاول التقاط همس صديقك. هذا ما تشعر به الكواشف الراديوية التي تلتقط إشارات من الغبار الكوني. يدخل الجسيم إلى الغلاف الجوي فيولّد زخة واسعة — شلالًا من ملايين الجسيمات الثانوية، وتصدر هذه الزخة نبضة راديوية قصيرة. لكن حولنا دائمًا ضجيج متواصل: محطات راديو، برق، شرارات من مفاتيح الكهرباء.

يشبه الكلام أوركسترا يجب أن تُعزف كل نغمة فيها في لحظتها المناسبة. يحوّل الدماغ الفكرة إلى سلسلة أصوات في أجزاء من الثانية، وظل حتى الآن غير واضح كيف يدير هذا التسلسل الهرمي — من الأصوات المنفردة إلى المقاطع ثم الكلمات الكاملة. لرؤية هذه العملية مباشرة، زرع الباحثون في منطقة الكلام في دماغ مريضين شبكات من 64 قطبًا دقيقًا — كل شبكة بحجم حبة أرز (3.2 × 3.2 ملم).

في المختبر، يتم قياس إشارة ضعيفة جدًا — على سبيل المثال، تغير ضئيل في المجال المغناطيسي. يهتز الجهاز بسبب مرور السيارات، وتنفس المجرب، وتسخين الأسلاك. لا يمكن إزالة هذه الضوضاء التقنية تمامًا، وهي تضع حدًا للدقة. يعمل جهاز الاستشعار التقليدي مثل ميزان يتأرجح مع أي تيار هواء. الآن يقترح الفيزيائيون نوعًا آخر من أجهزة الاستشعار — غير تقليدي، ببنية داخلية خاصة.

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) التقليدي عبارة عن مغناطيس ضخم لا يمكن تحريكه، وحاسوب قوي يحول الإشارات الصادرة من الجسم إلى صورة. في السنوات الأخيرة، ظهرت أجهزة تصوير مقطعي محمولة ذات مجال مغناطيسي أضعف: فهي خفيفة الوزن، وغير مكلفة، ويمكن استخدامها في مستشفى ميداني أو في سيارة إسعاف.

الأمعاء تتحدث مع الطبيب، ولكن بصوت خافت جدًا. أصوات القرقرة والفقاعات تستمر لأجزاء من الثانية وتضيع بسهولة بين أصوات الرئتين والقلب. السماعة الطبية تلتقط جزءًا صغيرًا فقط، لذا يعتمد التشخيص على خبرة وسمع الطبيب نفسه. المستشعر القابل للارتداء SonicGuard، المثبت على البطن، يستمع بشكل مستمر ويسجل كل حفيف. ثم يأتي دور الخوارزمية.

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.

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.

في مرض باركنسون، تُزرع أسلاك رفيعة في الدماغ لتهدئة الرعاش. العملية خطيرة، وتبقى الأسلاك لسنوات. تقترح مجموعة من الباحثين الاستغناء عن الشقوق الجراحية: توجيه موجات دقيقة إلى الرأس من عدة هوائيات، كما يضبط الموسيقيون شدة الصوت في زوايا القاعة المختلفة ليتلاقى الصوت في نقطة واحدة. يصدر كل هوائي موجات بتردد وطور خاصين.

خلية قلبية في طبق بتري تنقبض — وفي تلك اللحظة تجري موجة كهربائية عبر سطحها. في السابق، لالتقاط هذه الموجة، كان يُغرز في الخلية إبرة دقيقة للغاية تعمل كقطب كهربائي. أما الآن، يكفي مجرد النظر إليها تحت المجهر. تُسمى هذه الطريقة بالتسجيل الإلكتروكرومي (electrochromic recording). تُطلى الشريحة الزجاجية بمادة تغير لونها عندما يتغير المجال الكهربائي في جوارها.

يحاول الإنسان ألا يفكر في شجار حدث في الصباح، لكن صورًا حية تقتحم ذهنه. وفي الوقت نفسه، يعدّ تقريرًا ويحتفظ بأرقام في ذهنه. والنتيجة سيئة: الذاكرة تعيق العمل، والعمل لا يسمح بالنسيان. قرر العلماء اختبار كيف يتعامل الدماغ مع هذا العبء المزدوج لدى أشخاص بمستويات مختلفة من القلق. شارك في التجربة 47 متطوعًا أصحاء. عُرضت عليهم صور ممتعة وغير ممتعة، ثم طُلب منهم إما تذكر الصورة أو كبت ذكراها.

في غرفة العمليات يسود الصمت. يُنزل الجراح ببطء إبرة أرفع من شعرة الإنسان إلى دماغ المريض. في طرفها ليس سنًا حادًا، بل سياج كامل من تسعمائة وستين ميكروفونًا مجهريًا. كل واحد منها يستمع إلى رقعة صغيرة من المادة الرمادية. هكذا، ولأول مرة في العالم، دخل مسبار Neuropixels إلى دماغ إنسان حي — وهو جهاز كان يعمل سابقًا على الفئران والقرود فقط. وافق تسعة مرضى على التجربة.

مخطط كهربية القلب يشبه نوتة موسيقية، حيث كل نوتة هي نبضة قلب. الطبيب يسمع اللحن ويلاحظ النوتات الخاطئة — أي اضطراب النظم. لكن الاستماع إلى النوتة لساعات طويلة مرهق، لذلك يوضع بجانب سرير المريض جهاز استشعار ذكي. المشكلة أن النماذج الدقيقة التي تستمع كبيرة الحجم: تحتاج إلى ذاكرة وطاقة كبيرين، بينما يجب أن يعمل المستشعر على جسم الإنسان من بطارية صغيرة لشهور. ينقبض القلب حوالي 100 000 مرة في اليوم.

لقطتان لنفس المكان: إحداهما التُقطت صباحًا من طائرة مسيّرة، والأخرى مساءً من قمر اصطناعي. في الأولى ظلال الأشجار، وفي الثانية انعكاسات الضوء على الماء. الأمر أشبه بروايتين لحدث واحد بلهجتين مختلفتين: الكلمات متشابهة، لكن القواعد مختلفة. تسجيل الصور هو المترجم الذي يجد لغة مشتركة بين هاتين اللقطتين. المترجم لا يكتفي بمطابقة الكلمات؛ بل يبحث عن نقاط ارتكاز.