تحليل الجسم بالتصوير

في مسرح الجريمة يُعثر على بقعة. يأخذ الخبير مسحة، وبعد بضع ساعات يخرج الجهاز قائمة بالبروتينات التي كان السائل يتكون منها. سابقًا، كان الاختبار السريع قد يخطئ إذا كانت السوائل متعددة: اختلط الدم باللعاب، وأظهر الشريط نتيجة خاطئة. الآن، يزن مقياس الطيف الكتلي كل جزيء، وتترجم ثلاثة خوارزميات هذه الأوزان إلى لغة خبير الأدلة الجنائية. المترجم الأول يعرف كلمات منفردة.

خريطة الكنز التي ترسمها الشبكة العصبية تعد بإظهار مكان دفن الذهب. ولكن إذا نُقلت الخريطة إلى جزيرة أخرى، فقد تشير العلامات إلى الفراغ. هذا بالضبط ما حدث مع تفسيرات النموذج الذي يقيس النبض من تسجيل الفيديو للوجه. تلتقط الشبكة العصبية RhythmFormer التغيرات الطفيفة في لون الجلد الناتجة عن نبضات القلب.

المترجم في المفاوضات لا يصغي إلى كل كلمة على حدة، بل يلتقط معنى الجمل كاملة. وفي المجهر الإلكتروني مهمة مشابهة: نحتاج إلى معرفة سماكة البلورة وزاوية ميلها في الحزمة، وليس لدينا سوى نمط الحيود، وهو نمط من آلاف النقاط المضيئة والمعتمة. مقارنة كل بكسل في هذا النمط مع محاكاة مكلفة للغاية، لذا اقترح العلماء ألا ننصت إلى الكلمات المفردة، بل إلى معنى الأجزاء.

تخيّل أنك تحاول فهم ما حدث في غرفة ما من خلال الصدى الذي تبقى بعد إطلاق رصاصة. لم يعد هناك رصاصة، لكن الصدى ما زال يتردد في الجدران. هذا تقريبًا ما يفعله أخصائي علم الأمراض العصبية عندما ينظر إلى شريحة من نسيج دماغي لا تحتوي على الورم نفسه: فالخزعة أخذت فقط نسيجًا سليمًا استجاب للمرض.

في عام 2023، أمضى 101 شخص في بلجيكا تتراوح أعمارهم بين 50 و69 عامًا عدة أيام في مختبر، حيث صُوّر دماغهم، وسُجّل نومهم، وطُلب منهم حل مهام تتعلق بالذاكرة والانتباه. وهكذا وُلدت مجموعة بيانات COFITAGE، التي يُوصف فيها كل مشارك من خمسة جوانب: الجزيئي، والبنائي، والفسيولوجي، والوراثي، والمعرفي. في السابق كانت هذه الطبقات تُدرس منفصلة، أما هنا فقد جُمعت في صورة واحدة.

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.

الضوء الذي لم يصل إلى الكاميرا يترك أثره عليها. هكذا يعمل أسلوب التصوير الجديد: يُضاء الجسم بلون واحد، وتُلتقط الصورة من لون آخر. داخل البلورة، تمتزج موجات الضوء، وتنتقل المعلومات عن الأشعة غير المرئية إلى الشعاع المرئي. في التجربة، استُخدمت بلورة من ثيوجالات الفضة — وهي مادة بصرية غير خطية يمر عبرها شعاعان مختلفا اللون بزاوية. أحدهما هو الشعاع الذي يضيء العينة، والآخر هو الذي يصل إلى الكاميرا.

في غرفة هادئة بمختبر في بودابست، على طاولة يرقد سوار، بدلًا من الحزام فيه خيط موصل رفيع مشدود بشكل متعرج. لا يسخن ولا يضيء، لكن عندما يُضغط على المعصم يبدأ بالاستماع. كل نبضة قلب تتردد في الشريان الكعبري كموجة ضغط، والخيط يتشوه فيغير مقاومته الكهربائية. هذه الإشارة ليست مجرد نبض، بل شكل الموجة كاملًا: ارتفاع سريع، هبوط سلس، وحدبة ثانية بالكاد تُلاحظ بعد إغلاق الصمام القلبي.

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).

جهاز قياس الغلوكوز الذي لا يخز الإصبع، بل يكتفي بالنظر إلى المعصم — إنه حلم ملايين المصابين بالسكري. وهذا ما تعد به الخوارزميات التي تستخرج مستوى الغلوكوز من إشارة النبض العادية — تصوير التحجم الضوئي (photoplethysmography) (وهي نفسها التي تقيس النبض في الساعات الذكية). المشكلة أن أحدًا لم يستطع حتى الآن مقارنة هذه الخوارزميات بشكل صحيح: فكل باحث استخدم بياناته الخاصة وطرقه الخاصة في الفحص.

جهاز الأشعة السينية يلتقط صورة، لكن الطبيب يرى فقط أرقامًا: كثافة العظام، نسبة الدهون. لكن الصورة تحمل أكثر من ذلك بكثير. ابتكر فريق من الباحثين نموذجًا باسم LeDXA يقرأ هذه الصور كخريطة للإشارات الخفية في الجسم. تعلّم النموذج على 11,540 صورة من مشروع «النمط الظاهري للإنسان» بدون أي تسمية. لم يكن يعيد بناء الصورة، بل كان يتنبأ ببنيتها الداخلية، كما لو كان يخمّن شكل الجسم من ظله.

الجينات مثل المنازل في المدينة: في بعضها تعجّ الحياة، وفي البعض الآخر يسود الهدوء. هذا المشهد الجيني «المدني» تم تحليله لدى ألف امرأة مصابة بسرطان الثدي. رسام الخرائط الرياضي، المولود في علم الفيزياء الفلكية للبحث عن الشبكة الكونية، كشف عن مناطق نشاط مخفية — المادة المظلمة للسرطان، والتي لا تراها الفحوصات العادية.

قطرة البول تحت المجهر ليست بركة مسطحة، بل حجم متعدد الطبقات. كحزمة من الصفحات الشفافة: إذا نظرت إلى واحدة، تضبب المجاورة. وهكذا ضوء المجهر يُظهر بوضوح طبقة واحدة فقط من العمق. لرؤية جميع الخلايا، كان فني المختبر يلتقط سلسلة من الصور، بتحريك البؤرة يدوياً — مرهق وبطيء. الآن يكفي فيديو قصير (2–14 ثانية) حيث يدير المشغل المقبض ببساطة.

تخيل خرطوم حديقة ملتويًا: الماء فيه يواجه مقاومة، فينخفض الضغط. عملية مشابهة تحدث في الشرايين عندما تفقد هندستها المستقيمة. تعرج الأوعية ليس مجرد عيب تجميلي، بل عامل يخل بالديناميكا الدموية ويشكل تهديدًا بالسكتة الدماغية الإقفارية. لفترة طويلة، اعتمد الأطباء على التقييم البصري لهذه الانحناءات، لكن العين البشرية والخبرة أداتان ذاتيتان ويصعب تكرار نتائجهما. النهج الجديد يحول شكل الوعاء إلى كود رقمي.

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.

يتأمل أخصائي الأشعة في تدرجات رمادية وبيضاء على الشاشة — عشرات المقاطع من الجسم، حيث يجب العثور على كل بقعة مشبوهة. التقسيم اليدوي لمريض واحد يستغرق نصف ساعة، وفي عيادة كبيرة يوجد مئات من هؤلاء المرضى. التعب واختلاف خبرات الأطباء يؤديان حتمًا إلى تباين: نفس البؤرة قد يرسمها أخصائيان بشكل مختلف قليلاً. هذه الروتينية تتولاها الآن نماذج جديدة مفتوحة المصدر باسم GLOW-FDG.

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.

يذكّرنا السكري بنفسه من خلال الوخزات المتكررة. لمعرفة مستوى الهيموغلوبين السكري (HbA1c — وهو بروتين في الدم يُظهر متوسط السكر خلال ثلاثة أشهر)، يجب سحب الدم من الوريد بانتظام. هذا الإجراء مزعج ويتطلب مختبرًا ووقتًا. وإذا كان الشخص يعيش بعيدًا عن المدينة، تتحول كل هذه التحاليل إلى رحلة شاقة. الجهاز الجديد iGLU 5.0 يغير قواعد اللعبة.

المصحح اللغوي يراجع المخطوطة قبل الطباعة. هو لا يعرف كل الأخطاء المحتملة، لكنه يتذكر جيدًا كيف يبدو النص السليم. عندما يرى رمزًا غريبًا أو كلمة غير واضحة، يضع دائرة حمراء حولها فورًا. هذا تقريبًا ما تفعله البرنامج الجديد لفحص الصور الطبية. درّب الباحثون شبكة عصبية على التعرف على الشذوذ في صور الرنين المغناطيسي للحوض والدماغ.

ترفع اليد كوبًا من الرف — حركة مألوفة لا نلاحظها حتى تتعب العضلات. عندها يتغير المسار: يبتعد المرفق قليلًا إلى الجانب، وترتجف المعصم. عادةً ما يلتقط الطبيب هذه التغيرات بيديه، بجس عضلات المريض. لكن ماذا لو أمكن وضع التشخيص من خلال الفيديو؟ ابتكر فريق من الباحثين خوارزمية تنظر إلى حركة الذراع من الخارج وتقارنها بنسخة رقمية طبق الأصل من الشخص.

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.

جهاز التصوير المقطعي بالأشعة السينية يشبه النجار الذي يفحص جذع الشجرة من جميع الجوانب ليعرف أين يوجد الفراغ بداخله. يلتقط عشرات الصور المسطحة الظلية، ويدور المصدر والكاشف حول الجسم. ثم يقوم برنامج "المُجمِّع" بلصق هذه الظلال لتكوين نموذج حجمي. أسرع مُجمِّع هو خوارزمية FBP (الإسقاط الخلفي المفلتر).

للنظر داخل العضلة، تُضاء بموجات الراديو في مجال مغناطيسي قوي — هكذا يعمل التصوير بالرنين المغناطيسي. يستجيب الماء في الخلايا والماء في الدم بشكل مختلف، لكن الماسح الضوئي التقليدي لا يميز بينهما: فهو يعطي صورة متوسطة تتراكب فيها إشارة الشعيرات الدموية على إشارة الألياف العضلية.

ينظر عالم الأحياء إلى المجهر ليرى عشرات الكريات الخلوية الصغيرة — وهي كريات تُعرف باسم spheroids. ومن هذه الكريات ستنمو لاحقًا نماذج مصغرة للأعضاء. المهمة تشبه عمل الخباز الذي يقيّم ما إذا كانت العجينة قد ارتفعت بالتساوي في كل قالب. لكن بدل القوالب نجد الوسط الغذائي، وبدل العجين نجد خلايا حية. هذه الخلايا تتجمع ذاتيًا في كتل، وقد يكون عدد هذه الكتل في تجربة واحدة كبيرًا جدًا.

جهاز الأشعة السينية المزود بشبكات يلتقط ليس صورة واحدة بل ثلاث صور في آن واحد: صورة عادية، وخريطة لانحناءات الشعاع غير المرئية بالعين، وصورة للبنى الدقيقة التي تشتت الضوء. معًا تساعد هذه الصور في رؤية، على سبيل المثال، انتفاخ الرئة أو تليف الرئتين. لكن هناك عقبة: لفصل هذه الطبقات الثلاث، نحتاج إلى تقنية رياضية ذكية.

عندما يتنفس الإنسان، لا يتدفق الهواء بشكل مستقيم، بل على شكل موجات. في السابق، كان الأطباء والعلماء ينظرون فقط إلى الأرقام العامة: كمية الهواء الداخل خلال الشهيق، وأعلى تدفق. لكن داخل الشهيق الواحد تفاصيل دقيقة — تغيّرات صغيرة تكشف عن عمل الأعصاب والعضلات. النهج الجديد يفكّك الشهيق إلى أجزاء، كما يفكّك الموسيقي الوتر إلى نغمات منفردة. كل شهيق ليس موجة واحدة، بل مجموع عدة موجات بسيطة.

خيط عادي مخيط في القماش يمكنه أن يستمع إلى الجسد. إنه يشعر بارتفاع الصدر عند الشهيق، وانثناء الإصبع، ونبض القلب في المعصم. كل ذلك دون لصقات صلبة أو أسلاك، بل كجزء من الملابس. الحساس مصنوع من خيط مرن يغيّر مقاومته عند التمدد أو الضغط. تم نسجه في القماش بنمط مثلثي يشبه شبكة كثيفة. هذا النمط يلتقط حتى الحركات الضعيفة ويوفر في المواد — فلا نحتاج سوى القليل من الخيط.

يمكن تمثيل كل انقباضة للقلب كنقطة على ورقة. آلاف النقاط تتجمع في سحابة. خوارزمية Mapper تحول هذه السحابة إلى شبكة: تربط النقاط المتشابهة في السلوك وتلونها حسب قوة تدفق الدم. النتيجة ليست مجرد كومة أرقام، بل خريطة ملونة تظهر أي أجزاء القلب تعمل بتناغم وأيها بشكل متفرق.

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.

تقيس الساعات الذكية النبض باستخدام الضوء: يصدر مصباح LED ضوءًا يخترق الجلد، ويلتقط المستشعر الإشارة المنعكسة. من تذبذبات هذه الإشارة يمكن تقدير ضغط الدم، لكن الحساب الدقيق يتطلب شبكة عصبية قوية — عادةً تعمل في السحابة، وتغادر البيانات الجهاز. هذا غير مريح وغير آمن: فالمعلومات الطبية الشخصية تنتقل عبر الشبكة. النهج الجديد يضغط الشبكة العصبية إلى حجم علبة كبريت.

قطرة دم من الإصبع مثل صورة فوتوغرافية. واحدة منها مجرد لقطة، لكن إذا جمعتها على مدى سنوات تحصل على فيلم عن الصحة. هذا الفيلم بالضبط هو ما حلله مؤلفو الدراسة: أخذوا نتائج تحاليل الدم العامة التي أجراها الناس مرارًا وتكرارًا، وتتبعوا كيف تتغير المؤشرات لدى أولئك الذين أصيبوا لاحقًا بالسرطان أو أمراض القلب والأوعية الدموية أو التقطوا عدوى. اتضح أن لكل مرض "أثرًا" مميزًا في ديناميكيات الدم.

شيخوخة الدماغ تشبه تآكل جسر: الشقوق تظهر دون أن يلاحظها أحد، لكن إذا قوّيت الدعامات في الوقت المناسب، فسيصمد البناء لفترة أطول. هذه الدعامات هي ثلاثة أمور عادية: قوة المصافحة، والقدرة على الحركة الطويلة دون ضيق في التنفس، وحجم الرئتين. راقب الأطباء 51,517 بريطانيًا لمدة 12 عامًا ولاحظوا: لدى الأشخاص الذين يتمتعون بأعلى مستوى من كل من هذه القدرات، تطور الخرف بمعدل النصف مقارنة بالأضعف.

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.

القلب ليس كرة مثالية، بل يتغير شكله من نبضة إلى أخرى. لبناء نسخة ثلاثية الأبعاد دقيقة لنموذج حاسوبي، عادةً ما يتم التقاط عشرات الشرائح باستخدام جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي. لكن هذا يشبه تجميع بطيخة من شرائح رفيعة: كلما قل عدد الشرائح، زادت التخمينات. النهج الجديد يعلم الشبكة العصبية فهم شكل القلب من ملامح نادرة. يشبه ذلك كيف يعيد النحات بناء تمثال من عدة رسومات سريعة من زوايا مختلفة.

الميزان يُظهر الكيلوغرامات، لكنه لا يخبرك أين وُضعت — في العضلات أم في دهون البطن. والدهون المختبئة عميقًا في الداخل، حول الأعضاء، هي التي ترتبط غالبًا بأمراض القلب والسكري. في الماضي، لم يكن بالإمكان رؤيتها إلا عبر ماسح باهظ الثمن في العيادة. أما الآن، فيكفي هاتف ذكي. درّب العلماء البرنامج على عشرات الآلاف من الصور لأشخاص تم قياس تكوين أجسامهم بدقة.

المشية ليست مجرد وسيلة للانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب. كل خطوة، وكل تأرجح للذراع، وكل ميل للجذع — هي بمثابة توقيع يتركه الجسم في الفضاء. في السابق، لاحظ الأطباء أن المرض يغيّر المشية، لكنهم اعتبروا ذلك مجرد عرض لمشكلة محددة: إذا عرجت، فمعناه أن ساقك تؤلمك. الآن اتضح أن المشية هي كتاب كامل عن الصحة، ويمكن قراءته باستخدام كاميرا عادية.

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.

فحص PET/CT يشبه خريطة تضيء فيها الخلايا السرطانية كنقاط مضيئة. ولكن ماذا لو كانت الخريطة فارغة والمرض ما زال مختبئًا في مكان ما؟ لدى 132 رجلاً مع عودة سرطان البروستاتا، لم يجد الأطباء بؤرًا مضيئة، لكنهم قرروا دراسة نسيج الصورة نفسه — مثل حطّاب خبير يلاحظ عشبًا مطحونًا في مكان مرّ منه حيوان.