Rashid Alievich Sunyaev

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 يقترب نجم من ثقب أسود، وهو جسم بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منه، فإن قوى المد والجزر تمزق النجم كما لو كان عجينًا يلتقطه مضرب الخلاط. هذا الحدث، الذي يُسمى تمزق المد والجزر (tidal disruption event, TDE)، يولّد توهجًا قويًا من الإشعاع.

خيط رفيع في تيار ماء — كشعرة في تدفق الدش. إذا حركت الماء ذهابًا وإيابًا، فالشعرة تارةً تستطيل مع التيار وتارةً تنكمش. أخذ العلماء خيوطًا بروتينية حقيقية (الأكتين، الذي تتكون منه العضلات) ووضعوها في قناة مجهرية حيث اهتز السائل بترددات مختلفة. عند الاهتزازات السريعة، كان الخيط يعود بطاعة إلى وضعه الأصلي بعد كل دورة — مثل البندول. ولكن عندما تباطأت الاهتزازات، تغير كل شيء.

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.

تطفو إبرة المجهر النفقي فوق السطح على مسافة أصغر من قطر الذرة. عادةً ما تتحسس التضاريس، مثل إصبع يقرأ صفحة بطريقة برايل. الآن، تعلّمت الإبرة نفسها أن تسمع كيف يرتجف غشاء بحجم الظفر. في التجربة الجديدة، أصبحت إبرة المجهر بمثابة قوس الكمان وميكروفونًا في آن واحد. فهي تلامس الغشاء بمجال كهربائي خفيف وتجعله يهتز، ثم تلتقط تلك الاهتزازات.

في فجوة ضيقة بين لوحين، لا تتصرف الأيونات كجسيمات حرة، بل كحشد في حافلة مزدحمة: فهي تتلاصق بشدة لتشكل كتلًا كثيفة. هذه الخاصية تحديدًا — قدرة الأيونات على التكتل في حيز ضيق جدًا — هي أساس الآلية الجديدة للتحكم في النقل الأيوني. درس الباحثون سلوك الأيونات في قنوات نانوية ثنائية الأبعاد بعرض بضع ذرات فقط.

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.

تمدد الأوعية الدموية هو نقطة ضعف في جدار الوعاء تنتفخ مثل فقاعة في إطار دراجة قديم. إذا انفجرت الفقاعة، يتدفق الدم إلى الدماغ. يحتاج الأطباء إلى فهم مدى توتر جدار التمدد لتقرير ما إذا كانوا سيجريون عملية جراحية أم يكتفون بالمراقبة. في السابق، كانوا يبنون نموذجًا حاسوبيًا لتدفق الدم: يحددون شكل الوعاء، والضغط، ولزوجة الدم — ثم يحسبون لساعات على أجهزة قوية.

في القطب الجنوبي، حيث الهواء جاف وشفاف للموجات المليمترية، يقف تلسكوب لا ينظر إلى النجوم بل إلى أقدم ضوء في الكون. هذا الضوء هو الخلفية الكونية الميكروية، وهو إشعاع برد بعد الانفجار العظيم ويملأ السماء كلها.

مئة عازف كمان في أوركسترا واحدة يعزفون من النوتة ذاتها. وما دام قائد الأوركسترا يضبط الإيقاع بانتظام، تبدو الموسيقى متوقعة. لكن ما إن يبدأ العازفون في الإصغاء إلى بعضهم بعضًا، حتى يُدخل كلٌّ منهم هناته الدقيقة، وبعد بضعة مقاطع لا يبقى من اللحن المتناسق سوى ارتجال لا يمكن التنبؤ به. انتقال شبيه من النظام إلى الفوضى رصده الفيزيائيون في بلورة من مئة أيون بيريليوم محتجزة في مصيدة مغناطيسية.

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.

في صحراء القارة القطبية الجنوبية المتجمدة، ينظر تلسكوب SPT-3G إلى أعماق الكون. هدفه هو الإشعاع الميكروي القديم المتبقي من الانفجار العظيم. لكن في طريقه إلينا، يمر هذا الإشعاع عبر عناقيد مجرات عملاقة مليئة بغاز شديد الحرارة. يقوم الغاز بتسخين الفوتونات قليلاً — فتظهر بقع بالكاد مرئية على خريطة السماء.

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.

الإشعاع الكوني الخلفي هو ضوء خافت متبقٍ من الانفجار العظيم. يملأ السماء بشكل منتظم، لكنه يواجه عوائق في طريقه. أحد هذه العوائق هي تجمعات المجرات، التي يوجد بداخلها غاز ساخن جدًا. عندما تمر فوتونات الإشعاع الخلفي عبر هذا الغاز، يكتسب بعضها دفعة إضافية ويتغير طاقتها. ونتيجة لذلك، يبدو الإشعاع الخلفي في اتجاه التجمع باهتًا قليلاً — كما لو ظهر ظل على خلفية ساطعة.

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.

أيون الباريوم المحبوس في مصيدة يتصرف كالشوكة الرنانة: اهتزازاته الداخلية تضبط إيقاع أدق الساعات. لكن حتى هذه الشوكة ترتجف من الحرارة – فالإشعاع تحت الأحمر الصادر عن الجدران يزيح ترددها قليلاً. ولكي لا تكذب الساعة، يجب معرفة هذا الإزاحة بدقة متناهية. اتضح أن للباريوم «منطقة ميتة»: عند تردد ضوء يبلغ حوالي 623.6 تيراهرتز (وهو لون أزرق مخضر، أقصر قليلاً من 481 نانومتر) يمر إزاحة التردد بالصفر.

الخلية مدينة ذات بوابات. كل بوابة هي قناة بروتينية في الغشاء: عبرها تدخل وتخرج الأيونات والسكريات والجزيئات الإشارية. بعض البوابات تكون مفتوحة دائمًا تقريبًا، وبعضها يفتح ويغلق عشوائيًا، مثل أبواب مترو الأنفاق التي تسمح بدخول راكب ثم تنغلق فجأة.

في قطعة من الألماس، يختبئ عيب صغير جدًا: ذرة نيتروجين بجوار فراغ. يلتقط هذا العيب المجالات المغناطيسية كما تلتقط الهوائي موجات الراديو، ويستجيب بومضات من الضوء. هذه المجسات تقيس بالفعل درجة الحرارة داخل الخلايا الحية وتكشف عن العيوب في الرقائق الدقيقة. المشكلة أن الإشارة الصادرة من عيب واحد تغرق في الضوضاء.

حجر ثقيل يسقط في بركة، فتنتشر على سطح الماء دوائر بنمط مميز — يمكن من خلاله معرفة ما يختبئ تحت الماء. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون اضمحلال الجسيمات: تحولات نادرة يتحول فيها جسيم ثقيل فجأة إلى جسيم خفيف، مصدرًا ضوءًا أو زوجًا من الجسيمات المشحونة. في العمل الجديد، تم لأول مرة حساب هذه العملية لجسيم يسمى كسي-باريون — «الوزن الثقيل» في عالم الجسيمات دون الذرية.

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.

غشاء الخلية ليس مجرد جدار، بل هو بوابة ذات بوابات دوارة. توجد فيه قنوات بروتينية تسمح بدخول الأيونات وخروجها، مما يولّد شحنة كهربائية، تمامًا مثل البطارية التي تغذي الأعصاب والعضلات. حاول المهندسون منذ زمن طويل صنع مثل هذه القنوات بشكل اصطناعي، لكنهم لم يتمكنوا من محاكاة تفصيلة ذكية واحدة، وهي الجهد ثنائي القطب (dipole potential).

التيار المار في سلك ليس أبدًا منتظمًا تمامًا. إذا أنصتّ إليه بانتباه كافٍ، تسمع حفيفًا — ضجيج الطلقات. ينشأ لأن الشحنة لا تنتقل كتدفق متصل، بل على شكل حصص منفصلة، مثل قطرات المطر على السطح. من طبيعة هذا الضجيج يمكن معرفة مقدار الشحنة التي تحملها كل «قطرة». قاس الفيزيائيون هذا الضجيج في تماس فائق التوصيل — جسر رفيع بين مادة فائقة التوصيل وطرف معدني.

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.

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.

عندما يصطدم عنقودان من المجرات، تنشأ موجات صدمية في الفضاء بينهما، تمامًا مثل دوي الصوت من طائرة أسرع من الصوت، لكن بدلًا من الهواء، يكون الوسط غازًا مخلخلًا. تعمل هذه الموجات على ضغط الغاز وتسريع الجسيمات المشحونة إلى طاقات هائلة. الجسيمات المتسارعة، أثناء تحركها في المجال المغناطيسي، تصدر موجات راديوية نراها على شكل أقواس عملاقة تُعرف بالبقايا الراديوية.

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.

الخلية العصبية تدرك الإشارات الكهربائية، تماماً كميكروفون فائق الحساسية يلتقط أدق الاهتزازات. «جهاز سمعها» هو القنوات الأيونية، وهي مسام بروتينية في الغشاء الخلوي تفتح استجابةً للتغير في الجهد عبر الغشاء الناتج عن حركة الجسيمات المشحونة. ومع ذلك، فإن هذا التدفق الأيوني يصاحبه حتماً تشويش يحد من دقة معالجة المعلومات.