تصوير مقطعي بالإصدار البوزيتروني

الضوء الساقط على المادة عادةً ما يتشتت أو يسخّنها. لكن إذا كانت الفوتونات كثيرة جدًا وطاقتها عالية جدًا، يمكن لكمّين من الضوء أن يتصادما ويختفيا، وبدلاً منهما يظهر جسيمان: إلكترون ونقيضه البوزيترون. هذه العملية، التي تنبأ بها العلماء منذ عام 1934، لم يُتمكن حتى الآن من إعادة إنتاجها في المختبر باستخدام فوتونات حقيقية.

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.

الموصل الفائق هو مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان، تمامًا كالماء الجاري في أنبوب أملس تمامًا. في الموصلات الفائقة النحاسية، المعروفة باسم الكوبرات (cuprates)، تعمل الإضافات الدقيقة من الأكسجين كمقبض للتحكم في الصوت: زيادة طفيفة تجعل المادة تنتقل إلى حالة التوصيل الفائق، ونقصان طفيف يفقدها هذه الخاصية.

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

الصورة ذات الجرعة المنخفضة من الأشعة السينية تشبه النظر عبر زجاج مغشى: يمكن تخمين المعالم، لكن التفاصيل تغرق في ضباب كثيف. يحتاج الأطباء إلى مثل هذه اللقطات أثناء العلاج الإشعاعي — لتوجيه الحزمة بدقة نحو الورم وتجنب إصابة الأنسجة السليمة. ومع ذلك، فإن توفير الإشعاع يؤدي إلى تشويش وخطوط وبقع تعيق رؤية المهم.

التصوير المباشر لكوكب خارجي كوكب خارجي — أي كوكب يدور حول نجم آخر — هو مهمة تشبه محاولة رؤية يراعة على خلفية كشاف ضوئي قوي. الغلاف الجوي للأرض في حالة اضطراب مستمر: طبقات الهواء ذات درجات الحرارة والكثافات المختلفة تختلط بشكل عشوائي، والضوء القادم من النجم أثناء مروره عبرها يهتز ويصبح مشوشًا.

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.

استخلاص إشارة من زوج واحد من الثقوب السوداء فائقة الكتلة يشبه تمييز خطوات راقص في هدير إعصار. في مكان ما من الكون، يدور هذان الوحشان في رقصة جاذبية بطيئة، يشوهان الزمكان نفسه. إن أمواج الجاذبية الخاصة بهما ليست دفقات حادة كما في LIGO، بل تنفس عميق للقياس المتري، ممتد على مدى سنوات.

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.

في قطرة دم تسبح ملايين جزيئات الألبومين — البروتين الناقل الرئيسي. ينخفض مستواه في أمراض الكلى والكبد، لذلك يحتاج الأطباء إلى طريقة سريعة ودقيقة لقياسه. اقترح المهندسون كاشفًا بحجم ذرة غبار: ترانزستور غرافين يعمل مباشرة في السائل. الغرافين — ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة. إنه حساس للغاية لدرجة أن حتى جزيئًا واحدًا ملتصقًا يغيّر مقاومته الكهربائية.

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.

بعد أن تنبأ باول ديراك نظرياً بوجود المادة المضادة، يبحث الفيزيائيون عن أدنى اختلافات بين الجسيمات وجسيماتها المضادة. ويقترح نهج جديد إجراء تجربة اهتزازية متناغمة: حيث يعمل الليزر كمحفز يجعل 'وتراً' جزيئياً من الهيدروجين العادي ووتراً مماثلاً من الهيدروجين المضاد يهتزان، ثم مقارنة تردد الاهتزاز.

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.

عصير الفواكه المخلوط يُتذوق عبر مصاصتين مختلفتين. إحداهما تسمح بمرور القطع الكبيرة فقط، والأخرى تسمح بمرور السائل فقط. كل على حدة قد يكون مثيرًا للخداع، لكن معًا يعطيان المفتاح: يبدو أن هذا موز، وهذه فراولة.

عندما تُسخن المادة إلى ملايين الدرجات، تتحول إلى بلازما — خليط من الإلكترونات الحرة والأيونات، يشبه حساءً يغلي من الجسيمات المشحونة. لا يمكن النظر إلى هذا «الحساء» بميزان حرارة عادي، ولكن يمكن تسليط الأشعة السينية عليه.

ينطلق فوتونان من نقطة واحدة في صدر المريض. إنهما توأمان: إذا غيّرت أحدهما، عرفت حال الآخر فورًا. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي. أثناء التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، تولد هذه الأزواج داخل الجسم عندما تلتقي المادة المشعة المحقونة بإلكترونات الأنسجة. درجة هذا التشابك ليست ثابتة. إنها تضعف إذا تفاعلت الفوتونات مع جزيئات الأكسجين في طريقها.

عندما تدخل حزمة أيونات الكربون إلى الجسم، فإنها لا تطلق طاقتها فورًا، بل في نهاية مسارها، مثل عداء يبذل قصارى جهده في الأمتار الأخيرة. يحتاج الأطباء إلى معرفة نقطة النهاية هذه لتجنب إتلاف الأنسجة السليمة. ولكن كيف ننظر داخل الجسم دون إجراء شق جراحي؟ الفيزياء نفسها تقدم الإجابة: عند اصطدام الأيونات بأنوية الذرات، تنشأ ومضات قصيرة من أشعة غاما.

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.

البحث عن نقطة مضيئة مفردة في عينة مظلمة يشبه محاولة إيجاد إبرة في كومة قش: شعاع المجهر يزحف سطرًا بعد سطر، مضيِّعًا الوقت والضوء. استبدل الفيزيائيون هذا المسح البطيء بأنماط ضوء عشوائية. تُضاء العينة بحقل واسع في كل مرة، لكن بنمط جديد من البقع المضيئة والمظلمة، كما لو كانت تُسقط عليها ظلال عشوائية من شبكة. تسجّل الكاميرا كمية الضوء القادمة من المساحة كلها، ثم يجمع الخوارزم الصورة من هذه الشظايا.

يلتقط الماسح الضوئي PET ومضات الضوء التي تحدث عندما تلتقي العلامة المشعة المُدخلة إلى الجسم مع إلكترونات الأنسجة. عادةً، يحدد الجهاز فقط مكان حدوث الوميض. لكن بين ولادة العلامة والوميض هناك فترة توقف — صغيرة جدًا، في أجزاء من مليار من الثانية. في هذه الفترة، يتشكل ويضمحل البوزيترونيوم: زوج قصير العمر من إلكترون وضديده، البوزيترون.

يعمل النظير المشع تربيوم-149 كقنبلة صغيرة موجَّهة ذاتيًا: فهو يرتبط بالخلايا السرطانية وينفجر بجسيمات ألفا التي تدمر الورم من الداخل، دون أن تؤثر تقريبًا على الأنسجة السليمة. لكن لهذه القنبلة ميزة خاصة — فهي تصدر أيضًا بوزيترونات، ويمكن التقاط هذا الضوء بكاميرا خاصة. المشكلة أن هذا التوهج ضعيف ويصاحبه ومضات إضافية تعيق رؤية الصورة بوضوح.

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.

الكاميرا التي تبحث عن الأورام تعمل مثل كاميرا فوتوغرافية حساسة للغاية: فهي تلتقط توهجًا خافتًا من مادة تتراكم في الخلايا المريضة. في الأجهزة التقليدية، يولد الضوء داخل بلورة — قطعة صلبة تشبه الزجاج. لكن البلورة لا تنقل دائمًا بدقة مكان انبعاث الضوء، فتصبح الصورة ضبابية قليلًا. الفكرة الجديدة هي استبدال البلورة بالزينون السائل. وهو سائل شفاف يتوهج ذاتيًا عند اصطدام جسيم ضوئي به.

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.

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.

حزمة أيونات الكربون تصيب الورم بدقة، كجرّاح لا يرى سوى الجلد. داخل الجسم تتوقف الحزمة، وكان مكان توقفها بالضبط لغزًا سابقًا. الآن، يُخلط الهيليوم مع نفس الحزمة: فهو يخترق الجسم بالكامل، مثل الأشعة السينية، ومن أثره يمكن رؤية أين وصل الكربون. في المسرّع بالمركز الألماني GSI، تم تسريع نوعين من الأيونات معًا: الكربون والهيليوم.

الماسح الضوئي التقليدي للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) يشبه كاميرا بعدسة ضيقة: لتصوير الجسم بالكامل، يجب تحريكه ذهابًا وإيابًا والتقاط العديد من اللقطات. أما الماسح الجديد IMAS فهو كاميرا واسعة الزاوية تغطي 71 سنتيمترًا من الجسم دفعة واحدة. يستلقي المريض بلا حراك، ويجمع الجهاز صورة من قمة الرأس إلى الفخذين في مسح واحد.

المجهر النفقي الماسح يلمس الجزيء بإبرة فائقة الدقة ويرسم تضاريسه. لكن الصورة مسطحة، بينما الجزيء ثلاثي الأبعاد. كيف يمكن تخمين وضعية شخص من ظلّه على الحائط؟ بنى العلماء «مترجمًا من الظلال إلى الأبعاد» — شبكة عصبية تستعيد الشكل ثلاثي الأبعاد للجزيء من بصمته. أولًا، دُرّبت الشبكة على ملايين الصور الاصطناعية. احتسب الحاسوب كيف سيبدو الجزيء تحت المجهر لو استلقى بهذه الطريقة أو تلك.

ضربت صاعقة عش النمل. يموت بعض النمل فورًا، ويتجمد البعض الآخر، وبعد أيام يبدأ الناجون في إعادة بناء الممرات. هذا تقريبًا ما يفعله الورم بعد الاستشراب الكهربائي — وهي طريقة يتم فيها تمرير تفريغات كهربائية قصيرة عبر الأنسجة لإحداث ثقوب في أغشية الخلايا السرطانية وقتلها.

قطرة الدهون داخل الخلية الحية تشبه عوامة في مياه هائجة. إنها لا تتحرك في خط مستقيم، بل بحركات متقطعة، تتوقف أحيانًا وتسرع أحيانًا أخرى. في السابق، كان يمكن رؤية هذه الحركات فقط في مستوى واحد — كما لو كنت تنظر إلى العوامة من الأعلى دون أن تعرف عمقها. الآن، صنع العلماء كاميرا تصور كامل حجم الخلية دفعة واحدة، مثل فيلم ثلاثي الأبعاد، بسرعة 19 إطارًا في الثانية.

في حالات الصرع، يحدد الطبيب جرعة الدواء شبه عشوائيًا. الجرعة القليلة جدًا تعني استمرار النوبات، والكثيرة جدًا تؤدي إلى آثار جانبية. عادةً، تُرسل عينة دم المريض إلى المختبر، وتصل النتيجة بعد يوم أو يومين. أما الآن، فيمكن إجراء نفس التحليل على رقاقة سيليكونية صغيرة. يعمل المستشعر مثل أنف حساس للغاية. تُضاء قطرة الدم المجففة بشعاع تحت أحمر، وتمتص جزيئات الدواء الضوء عند طول موجي خاص بها.

قطعة سيراميك بحجم الظفر تُضغط في ملزمة، فتتغير بنيتها الداخلية مثل الطين تحت الأصابع. داخل المادة تصطف صفوف منتظمة من مناطق صغيرة كانت في السابق موزعة بشكل عشوائي. بعد هذا "التدليك"، تبدأ البلورة في نقل الضوء تقريبًا مثل الزجاج، وفي الوقت نفسه تتكهرب بشدة إذا ثُنيت أو ضُغطت. عادةً ما تكون الشفافية والقدرة على توليد الكهرباء من الضغط خاصيتين متنافيتين.

العلاج الكيميائي التقليدي يضرب الجسم كله مثل القصف العشوائي: تتأثر الخلايا السرطانية والخلايا السليمة معًا. يبحث العلماء عن سلاح أكثر دقة — جزيئات تتوهج عندما تندمج في الحمض النووي للخلية السرطانية، وبذلك تكشف عن موقعها. مثل هذه المسابير المتوهجة يمكن أن تساعد الأطباء في العثور على الورم في مرحلة مبكرة وحتى تدميره بدقة دون الإضرار بالأنسجة المجاورة.

شريحة نسيج سميكة تحت المجهر تشبه زجاجاً مغشى بالبخار: الضوء يتشتت وتضيع التفاصيل. عادة، لرؤية الخلايا، تُصبغ أو تُقطع إلى شرائح رقيقة جداً. لكن هناك طريقة أبسط — وهي جعل الشريحة نفسها شفافة، وكأننا مسحنا الزجاج. محلول مكوّن من 60% جلسرين و10% طرطرازين (ملون غذائي أصفر) يغمر قطعة من كبد أو كلية فأر في وسط «غير مرئي».

في نواة ذرة الذهب يختبئ دواء المستقبل للسرطان. إذا تم قصف هدف ذهبي بأشعة غاما بطاقة تبلغ حوالي 30 ميغاإلكترون فولط، تفقد إحدى النوى بروتونًا ونيوترونًا وتتحول إلى نظير بلاتين نادر — البلاتين-195m. هذا النظير غير مستقر: عند اضمحلاله، يُطلق إلكترونات أوجيه — جسيمات صغيرة جدًا لا تتجاوز مسارها بضعة أجزاء من المليون من المليمتر، فتمزّق خيوط الحمض النووي.

الوسمات المشعة مثل ساعي مع جهاز تعقب: تحقنه في الجسم فيضيء العضو المطلوب في الصورة. لكن لهذا الساعي قواعد صارمة: لا يمكن إرساله كثيرًا، فهو سرعان ما «يتعب» ويكلف الكثير. لطالما حلم الأطباء بطريقة لرؤية العضو دون إشعاع. العمل الجديد يظهر أنه يمكن إضاءة العضو بالأشعة السينية العادية، وذرات اليود ستجيب على هذا الضوء — فهي تومض بإشعاع ثانوي، مثل اليراعات استجابةً لمصباح يدوي.

في حقل شاسع من اليراعات التي تتوهج فرادى لا أسرابًا، تبحث منظومة آلية جديدة. إنها تُحرّك الليزر فوق العينة كما لو كان مصباحًا يدويًا، وتسجّل في كل نقطة لون الضوء وسطوعه. فإذا ما توهّج فوتون مفرد في مكان ما — فهذه هي "اليراعة" التي نحتاجها للحواسيب الكمومية والاتصالات المحمية.

رجل الإطفاء المزوّد بكاميرا حرارية يرى بؤرة الحريق عبر الدخان. ولكن كيف يمكن رؤية مصدر إشعاعي لا رائحة له ولا ضوء ولا حرارة؟ كاميرات أشعة غاما تحل هذه المشكلة: فهي تلتقط أشعة غاما المنبعثة من المواد المشعة وتضع "أثرها" على صورة فوتوغرافية عادية. والنتيجة صورة تُظهر أن المصدر يقع، مثلاً، خلف الباب البعيد.