H. Dieter Zeh

سماكة شريحة الأنسجة الدماغية لا تتجاوز 5 ميكرونات، أي أرق بعشرين مرة من شعرة الإنسان. على هذه الشريحة، يبحث أخصائي علم الأمراض عن علامات الورم: تغير شكل النوى، تزاحم الخلايا، أوعية دموية غير طبيعية. العمل شاق، وقد يختلف اختصاصيان في الرأي حول الصورة نفسها. في هذه الحالة، الشبكة العصبية ليست بديلاً عن الطبيب، بل عين ثانية تنظر إلى الصورة بدأب الآلة ودقة تُقاس بكسور النسبة المئوية.

في عام 2016، سجّل كاشف LHCb في مصادم الهادرونات الكبير ملايين التصادمات بين البروتونات. بين حطام هذه التصادمات وُلدت ب-ميزونات محايدة، وهي جسيمات يمكنها تلقائيًا التحول إلى جسيماتها المضادة والعودة. لقياس هذا التحول، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة هوية الجسيم عند لحظة الولادة: هل هو مادة أم مادة مضادة؟ تُعرف هذه المهمة بوسم النكهة (flavour tagging).

عندما يصيب الورم الدماغ بأكمله، يقوم الأطباء بتشعيعه كاملاً. هذه طريقة موثوقة، لكن ضبط التشعيع عمل شاق: يجب اختيار المعايير بحيث يحصل الورم على الجرعة المناسبة، بينما تتأثر العيون والعدسات بأقل قدر ممكن. عادةً، يقضي الأخصائي حوالي 15 دقيقة في ضبط الإعدادات يدوياً داخل البرنامج. الآن أصبحت هذه العملية أسرع.

ورم الدماغ الأرومي الدبقي خبيث وماكر: لدى بعض المرضى يعمل دواء تيموزولوميد، بينما لا يكاد يؤثر على آخرين. غالباً ما يكمن الفرق في جزء صغير من الحمض النووي، ألا وهو جين MGMT. إذا كان هذا الجزء "معطلاً" كيميائياً (مثيلاً)، فإن الورم يكون أقل قدرة على إصلاح خلاياه، ويكون تأثير الدواء أدق.

تشبه القشرة الدماغية ورقة مجعّدة: لها سُمك وانحناءات وعمق للطيات. مع التقدم في العمر، تتغير هذه الورقة بشكل غير متساوٍ — في بعض الأماكن تزداد رقة، وفي أخرى تفقد وضوح انحناءاتها. سابقًا، كان الأطباء يقيّمون عمر الدماغ ككل، وكأنهم ينظرون إلى الورقة من بعيد. أما الآن، فتدقق الشبكة العصبية في كل نقطة على السطح بخطوة مقدارها 1.37 ملم — مثل عدسة مكبرة تُظهر شيخوخة المناطق الفردية.

يشبه علاج السرطان بحزمة البروتونات الرماية بالقوس: يجب أن تصيب الهدف بدقة دون أن تمس ما حوله. تطلق البروتونات طاقتها في نهاية مسارها، لذلك لا تتأثر الأنسجة السليمة تقريبًا. ولكن لضمان سلامة الإصابة، يتم فحص كل خطة علاج مسبقًا — لقياس الجرعة التي سيحصل عليها الورم وما سيصيب الأعضاء المجاورة. الكواشف المعتادة لهذا الفحص — غرف التأين — كبيرة وبطيئة.

المحقق يبحث عن مجرم في ملفات الصور، لكن الصور مختلطة. عادةً ينتظر شخصًا بلحية رمادية، بينما المجرم شاب بلا لحية. هكذا، كثيرًا ما يفشل الأطباء في التعرّف على مرض ألزهايمر لدى من تظهر عليهم أعراض غير معتادة: ليس فقدان الذاكرة، بل مشاكل في الرؤية أو الكلام. يرتبط مرض ألزهايمر عادةً بتراكم بروتينين في الدماغ: أميلويد وتاو.

نسيج الدماغ في الصورة يشبه سماءً ملبدة بالغيوم: بقع مضيئة، هوات داكنة، حواف ضبابية. يختبئ الورم بين هذه الأنماط، ويحتاج الطبيب إلى تحديد محيطه للتخطيط للجراحة أو العلاج الإشعاعي. وضع واحد من التصوير بالرنين المغناطيسي يُبرز الوذمة، وآخر يُبرز نواة الورم، وثالث يُبرز المناطق الميتة. لكن في المستشفى الواقعي، قد تُفقد بعض الصور أو لا تُلتقط أصلًا: المريض تحرك، الجهاز تعطل، لا وقت كافٍ.

في غرفة مظلمة، على طاولة، يوضع مؤشر ليزر وقطعة زجاج عليها نسيج وكاميرا هاتف عادية. يمر الضوء عبر العينة، فتظهر في الصورة ليست خلايا، بل نمط من خطوط فاتحة وداكنة — مثل ظل أوراق الشجر على الجدار. من هذا النمط يتعلم الكمبيوتر تخمين كمية بروتين HER2 على سطح الخلايا السرطانية في الثدي. بروتين HER2 يشبه مقبض الباب الذي يمكن للدواء أن يمسك به.

عندما يخضع الشخص للعلاج الإشعاعي لورم في منطقة الرأس أو الرقبة، تمر الأشعة عبر الأنسجة السليمة أيضًا. وأحيانًا يبدأ عظم الفك في النخر بعد ذلك، وهي مضاعفة خطيرة تُعرف بالنخر الإشعاعي للعظم (osteoradionecrosis). والسؤال ليس ما إذا كان هذا يحدث، بل إلى أي مدى تزيد جرعة الإشعاع نفسها من الخطر.

يشبه ورم الدماغ مسافرًا يتجول في غابة كثيفة: الأشجار والشجيرات هي أنواع مختلفة من أنسجة الدماغ، حيث يكون المرور أسهل في بعض الأماكن وأصعب في أخرى. لا تتحرك خلايا الورم الدبقي في خط مستقيم، بل تتعرج باستمرار، وتصطدم بالعقبات وتلتف حولها.

الورم لا يبقى ثابتًا في مكانه. تنفصل عنه خلايا مفردة أو مجموعات كاملة وتبدأ رحلتها عبر الجسم. بعضها يزحف منفردًا كالكشّافين، وبعضها يبقى متماسكًا كسرب صغير. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لفهم كيف تختار هذه الخلايا اتجاهها. في النموذج، تستجيب الخلايا لإشارتين. الأولى هي الانجذاب نحو الأنسجة الأكثر صلابة: فتشعر الخلية بمكان الأنسجة الأكثر كثافة وتزحف إليه.

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.

كاميرا لا تصور الوجه بل الدماغ نفسه - من الداخل، طبقة بعد طبقة. غالبًا ما تعطي الماسحات الضوئية العادية صورة ضبابية: تندمج التفاصيل الصغيرة مثل الحروف على زجاج مغطى بالبخار. قرر المهندسون بناء جهاز يرى بوضوح حتى ما هو أصغر من ملليمتر. للقيام بذلك، أخذوا بلورات تلتقط ومضات من علامة مشعة في الدم وجعلوها أكثر سمكًا - 20 ملليمترًا بدلاً من 15.

تشبه الخلية السرطانية قفلًا عنيدًا يغيّر مفاتيحه كلما حاولت فتحه. يعمل الدواء كأداة فتح، لكن الخلية سرعان ما تجد طريقة لمنعه من الدخول. في دراسة جديدة، بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا يحاكي سلوك الخلايا السرطانية عند وجود أعطال مختلفة في جيناتها.

يبدأ مرض الزهايمر بشكل خفي: في أعماق الدماغ يتراكم بروتينان — تاو وأميلويد-بيتا. يتصرفان مثل بذور الأعشاب الضارة: كتلة واحدة تظهر تجعل الخلايا المجاورة تنتج كتلًا مماثلة. تدريجيًا، تنتشر البروتينات عبر الألياف العصبية، مثل الماء عبر شعيرات منشفة ورقية، وتستولي على مناطق جديدة. تاو وأميلويد-بيتا ليسا مجرد نفايات.

ينمو الورم بسرعة، وغالبًا ما يفتقر إلى الأكسجين في داخله. الأدوية التقليدية التي تحتاج إلى الأكسجين تصبح عاجزة هناك. لكن هناك جزيئات تعمل بطريقة مختلفة: فهي تسحب الإلكترونات من الجزيئات المجاورة وتطلق سلسلة من التفاعلات التي تدمر الخلايا السرطانية. تُسمى هذه الجزيئات محسّسات ضوئية (photosensitizers) — تُنشَّط بالضوء.

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.

في مجال التخطيط الحضري، تُعرف مفارقة برايس (Braess's paradox): إضافة طريق جديد إلى شبكة النقل قد لا يقلل الازدحام بل يزيده. لفترة طويلة، كان يُفسَّر ذلك بالسلوك الأناني للسائقين، حيث يسعى كل منهم لتحقيق مصلحته الشخصية. ومع ذلك، فإن مستعمرات النمل، التي تعمل ككائن فائق متناغم دون مصالح فردية، تُظهر نفس الفخ. عندما يكتشف النمل الكشاف طريقًا قصيرًا إلى مصدر الغذاء، يستدعي المستعمرة بأكملها عبر علامات الفيرومون.

عندما يدخل فيروس إلى الجسم أو تظهر خلية سرطانية، تدخل الخلايا التائية — جنود الجهاز المناعي — إلى المسرح. لكل خلية تائية مستقبلها الخاص — جزيء يشبه القفل يبحث عن المفتاح المناسب: قطعة بروتين (ببتيد) على سطح الخلية المريضة. إذا تطابق المفتاح، تنشط الخلية التائية وتدمر العدو. لكن هناك مليارات الأقفال والمفاتيح، والتنبؤ بأي مستقبل سيعمل ضد ببتيد معين هو مهمة بالغة الصعوبة.

يعمل دماغ الإنسان المصاب بمرض باركنسون مثل أوركسترا يتجمد قائدها أحيانًا ويحرك عصاه في غير إيقاع. الأدوية لا تساعد الجميع، وعندها يقترح الأطباء التحفيز الكهربائي — نبضات كهربائية ضعيفة تعيد الإيقاع. لكن كل دماغ يختلف عن الآخر: أحدهم يناسبه أسلوب، وآخر يناسبه الأسلوب الثاني. الخطأ يعني إجراء عملية جراحية لشخص دون جدوى.

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.

في غرفة العمليات، يضيء الجراح الورم بمستحضر خاص يجعله يتوهج. ولكن كيف نعرف هل يتوهج بشكل ساطع بسبب كثرة الخلايا السرطانية أم فقط لأنه قريب من السطح؟ الكاميرا العادية لا تميز ذلك، وقد يخطئ الطبيب فيترك جزءًا من الورم أو يزيل أنسجة سليمة زائدة. كاميرا الحقل الضوئي تحل هذه المشكلة لأنها لا تلتقط صورة مسطحة فحسب، بل تلتقط أشعة الضوء بزوايا مختلفة.

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.

عندما لا تفيد الأدوية في علاج الصرع، يقترح الأطباء إجراء جراحة: إزالة جزء من الدماغ حيث تنشأ النوبات. لكن من الصعب تحديد مسبقًا ما إذا كانت الجراحة ستساعد هذا الشخص بعينه. صور الرنين المغناطيسي قبل الجراحة تُظهر الحالة الحالية فقط، وليس كيف سيتغير الدماغ بعد التدخل. النهج الجديد يعمل مثل أمين مكتبة يبحث عن سجلات مرضية مشابهة.

عندما يتعرض الشخص لعلاج إشعاعي لورم في الدماغ، يصل جزء من الطاقة أيضًا إلى الخلايا السليمة. بعد عدة أشهر، تظهر لدى بعض المرضى بقع مضيئة في صور الرنين المغناطيسي (MRI) — وهي أماكن تغيرت فيها الأنسجة بسبب الإشعاع. يسميها الأطباء "التعزيز التبايني الناجم عن الإشعاع". هذه البقع ليست خطيرة دائمًا، لكنها تُظهر الأماكن التي تأثر فيها الدماغ بشدة.

قفلان شبه متطابقين يفتحهما نفس المفتاح الرئيسي. يبدوان متشابهين من الخارج، لكن الآلية الداخلية مختلفة. هكذا يبدو النوعان الرئيسيان لسرطان الرئة غير صغير الخلايا: السرطان الغدي وسرطان الخلايا الحرشفية. تحت المجهر يمكن الخلط بينهما، لكن العلاج المطلوب مختلف. هنا تأتي "العدسة المكبرة" الكمية للإنقاذ.

يزيل الجراح ورم الثدي، ولكن كيف يعرف أنه لم تبقَ أي خلية سرطانية على الحافة؟ حاليًا، يُرسل النسيج إلى المختبر، ويأتي الجواب بعد عدة أيام. إذا كانت الحافة غير نظيفة — يلزم إجراء عملية ثانية. الطريقة الجديدة تعد بإعطاء الجواب مباشرة في غرفة العمليات، بينما لا تزال المريضة على الطاولة. يعمل الجهاز مثل «مصباح» بالموجات الميكروية: يضيء قطعة النسيج المستأصلة بإشعاع غير مرئي، وبكسل واحد فقط يلتقط الإشارة المنعكسة.

داخل كل عصبون يوجد قناة طويلة رفيعة — المحور العصبي (الأكسون) — ينتقل عبره الإشارة من جسم الخلية إلى الخلايا الأخرى. ولكي تعمل هذه القناة، تتنقل عبرها باستمرار الميتوكوندريا — وهي عضيات صغيرة تنتج الطاقة. تتحرك في الاتجاهين، مثل السيارات على طريق ضيق.

عندما يضرب لاعب كرة القدم الكرة برأسه، يهتز الدماغ داخل الجمجمة قليلاً، مثل الجيلي في وعاء مغلق. ضربة واحدة لا تترك أثراً، لكن المئات تتكرر على مر السنين. يصعب على الأطباء معرفة متى تبدأ هذه الاهتزازات في إلحاق الضرر: فصور الدماغ العادية تبدو طبيعية، وقد يشعر الشخص بأنه بصحة جيدة. وجد العلماء طريقة أخرى للنظر داخل هذا الدماغ.

الدماغ حصن منيع. يحميه غشاء كثيف من الخلايا لا يسمح بدخول سوى المواد الضرورية. الأدوية لا تستطيع عبور هذا الحاجز، ولهذا يصعب علاج العديد من أمراض الدماغ. وجد العلماء طريقة لفتح بوابات الحصن جزئيًا. صمّموا جهازًا يرسل موجات فوق صوتية مركّزة إلى الدماغ. تُحقن في الدم فقاعات غازية متناهية الصغر.

يتأمل الطبيب صورة الدماغ: في مكان ما بين تشابك الأنسجة يختبئ الورم. نظرة واحدة تلتقط البقع الصغيرة والحدود، وأخرى ترى الشكل العام والموقع. الإنسان يجمع بين الاثنتين، لكن على مئات الصور يصبح ذلك مرهقًا. البرنامج الجديد يفعل الشيء نفسه تلقائيًا. جزء منه يعمل كعدسة مكبرة: ينزلق على الصورة ويجمع التفاصيل الدقيقة — الملمس، الحواف، التغيرات الموضعية.

ورم اللسان كغريب في الزحام. فمن الخارج تبدو جميعها متشابهة تقريبًا، لكن تحت السطح تختبئ طبائع مختلفة جدًا. بعض الأورام تتصرف بعدوانية، وبعضها ينمو ببطء. من المهم للأطباء أن يفهموا مع من يتعاملون قبل العملية. عادةً، يتم أخذ قطعة صغيرة من الأنسجة لهذا الغرض — خزعة (biopsy). لكن هذه الطريقة لا تُظهر دائمًا الصورة الكاملة، لأن الورم غير متجانس.

خرطوم الحديقة يضرب بنفث رفيع وقوي. إذا حرّكته فوق قطعة الأرض، يمكنك ريّ الحديقة كلها دون إغراق الممرات. تقريبًا هكذا يعمل النهج الجديد لعلاج الأورام العميقة: بدلًا من تيار إشعاع عريض، نأخذ حزمة ضيقة من الإلكترونات المسرّعة إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، ونمسح بها الورم كما لو كانت نفث ماء.

العفن على الخبز: اليوم بقعة صغيرة، وغدًا نصف الرغيف. هكذا تقريبًا ينتشر أميلويد-بيتا في الدماغ — وهو بروتين لزج يتكتل في مرض الزهايمر ويعيق عمل الخلايا العصبية.

نهر يجري ليس في مجرى مكشوف، بل داخل إسفنجة، ويتغير تياره من مكان إلى آخر — يمكن تشبيهه بالجهاز الجليمفاوي في الدماغ. إنه شبكة من القنوات الدقيقة حول الأوعية الدموية، يمر عبرها السائل النخاعي ليتسرب إلى عمق النسيج ويغسل الفضلات المتراكمة خلال اليوم. رؤية هذه التيارات مباشرة شبه مستحيلة: فهي بطيئة ومعقدة للغاية، وصور الرنين المغناطيسي، حتى مع مادة التباين، تعطي صورة ضبابية فقط.

بعد احتشاء عضلة القلب، يمكن محاولة استبدال الجزء التالف من عضلة القلب بخلايا حية مزروعة من خلايا جذعية. لكن غالبًا ما تحدث مشكلة: يبدأ الطعم الجديد في العمل كمنظم نظم خاص به، فيضطرب إيقاع القلب الصحيح. يرى الأطباء اضطراب النظم على مخطط القلب، لكن ما يحدث بالضبط عند التقاء «الخاص» و«الغريب» يبقى خلف الكواليس. لا يمكن قياس قوة الاتصال الكهربائي مباشرة.

تخيّل مدينة ألعاب مائية تضم العديد من حمامات السباحة المتصلة بممرات ضيقة. الزوار — جزيئات الماء — يرشّون الماء داخل كل حمام، لكنهم من وقت لآخر ينتقلون إلى الحمام المجاور. في ورم الدماغ، هذه «الممرات» هي قنوات بروتينية في أغشية الخلايا. وكميتها تحدد مدى سرعة انتقال الماء بين الخلايا. التصوير بالرنين المغناطيسي العادي يرى فقط تجمع الماء، لكنه لا يرى حركته.

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.

المدينة نظام حي: تستهلك الموارد، وتُخرج النفايات، و«جهازها الدوري» — شبكة الطرق — ينقل الناس والبضائع إلى وجهاتهم. لكن بينما يصمم المهندسون شرايين النقل كهندسة صلبة من الخطوط المستقيمة، تقضي الطبيعة ملايين السنين في صقل شبكات التوزيع المثالية. الأنهار تشق مجاريها إلى البحر دون خطأ، وورقة النبات تتخللها عروق، كل وعاء في مكانه، دون أي عنصر زائد.