ستكشف الأيام المقبلة عن استخدامات محتملة لهذه التجربة. وعلى سبيل المثال.. صور الضوء المرئي التي تصدر من أعماق الجسم الصلب قد لا تجعلنا في حاجة إلى سحب عيِّنة من الأنسجة الداخلية؛ وتركيز ضوء الليزر قد يساعد أيضا في علاج تمدد الأوعية الدموية في الدماغ، أو في علاج الأورام المتعذر علاجها جراحيًّا...
بقلم: زيّا ميرالي
في البداية، بدت الفكرة لألارد موسك نموذجية بشكل خيالي. ففي عام 2007، كان موسك يعمل مع إيفو فيليكوب، الطالب في مجموعته البحثية في جامعة تفينتي في مدينة إنشيده الهولندية، على تسليط شعاع من الضوء المرئي خلال «جدار صلب»، مكوناته هي شريحة زجاجية مغطاة بطلاء أبيض، ثم تركيز الضوء على الوجه الآخر من الجدار. ووقتها، لم يتبلور في عقلهم استخدام محدَّد لهذا الأمر، إلا أن موسك «أراد فقط تجربة هذا الأمر، لأنه شيء لم نجربه قط». في واقع الأمر، لم يتوقع الباحثون أن يلتقطوا أكثر من صورة ضوئية ضبابية وخافتة.
فيما بعد، اتضح أن أولى محاولاتهم أوصلتهم إلى تجويف ضوئي حاد، درجة سطوعه أكبر مئة مرة من توقعاتهم. ومن شدة المفاجأة، أخذ موسك يصيح بأن «هذا لا يحدث في اليوم الأول من تجربتك. ظننا أننا ارتكبنا خطأ، وأنه لا بد من وجود ثقب ما في الجدار، يمر الضوء من خلاله!»، لكن لم يكن هناك أي ثقب. ومن ثم، أصبحت تجربتهم هي الأولى بين دراستين مستقلتين1,2 تم إجراؤهما هذا العام؛ لتتبوأ ريادة الأبحاث التي تكشف طرق الرؤية عبر الحواجز المعتمة. صحيح أن تجربتهم ما زالت قيد الاختبار، إلا أن خطوات التقدم فيها سريعة، حيث تمكّن باحثون من الحصول على صور واضحة من خلال أنسجة رقيقة، مثل أُذن الفأر3، كما يحاولون التبحر في أعماق هذا الأمر. وإذا استطاع الباحثون مواجهة تحديات التجربة الشاقة، كالتعامل مع الأنسجة التي تتحرك أو تتمدد، ستكشف الأيام المقبلة عن استخدامات محتملة لهذه التجربة. وعلى سبيل المثال.. صور الضوء المرئي التي تصدر من أعماق الجسم الصلب قد لا تجعلنا في حاجة إلى سحب عيِّنة من الأنسجة الداخلية؛ وتركيز ضوء الليزر قد يساعد أيضا في علاج تمدد الأوعية الدموية في الدماغ، أو في علاج الأورام المتعذر علاجها جراحيًّا، دون الحاجة إلى عملية جراحية من الأساس.
في هذا الصدد، يقول لي هونج وانج ـ مهندس الطب الحيوي في جامعة واشنطن في مدينة سانت لويس بولاية ميزوري ـ إنه «منذ عشر سنوات، لم يتخيل أحد الحصول على مستوى صورة عالي الدقة يقل عن سنتيمتر واحد في الجسم باستخدام الضوء المرئي، إلا أن الأمر صار حقيقة. وأؤمن، حتى لو نعتوني بالجنون، أننا في نهاية المطاف سنتمكن من تصوير الجسم بالكامل باستخدام الضوء المرئي».
مصدر ثري
من الممكن بالفعل النظر داخل الجسم باستخدام الأشعة السينية والموجات فوق الصوتية، لكن الصور التي تنتجها هذه الأدوات تعتبر أولية، مقارنة بالصور التي من المفترض أن تصدر باستخدام الضوء المرئي. ويرى وانج أن السبب وراء ذلك يرجع جزئيًّا إلى تمتع صور الضوء المرئي بدقة عالية في أغلب الأوقات، ويعزو السبب في ذلك أيضًا إلى موجات الضوء التي تتفاعل بقوة مع الجزيئات العضوية، فتنتقل مع الموجات المنعكسة بيانات عن التغيرات البيوكيميائية، والشذوذ الخلوي، ومستويات الجلوكوز والأكسجين في الدم.
ومع ذلك.. فهذه التفاعلات تجعل الضوء المرئي أيضًا عرضة للتشتت والامتصاص. فالامتصاص سيبدد أي محاولة تصوير، لأن المعلومات التي التقطتها الفوتونات ستضيع بمجرد امتصاصها في المواد؛ أما التشتت، فيحافظ على بصيص من الأمل، حيث إن العديد من المواد، كالجلد، أو الطلاء الأبيض، أو الضباب، تصير أجسامًا «معتمة» فقط بسبب الفوتونات التي تمرر شظية ضوئية خلال هذه الأجسام، حتى يرتد الضوء ارتدادًا تامًّا. ومن حيث المبدأ، يمكن إعادة الضوء إلى مساره، لأننا لم نفقده.
لقد حل علماء الفلك بالفعل نوعًا من تلك المشكلات المتعلقة بالتشتت باستخدام تقنية تُسمى البصريات التكيفية، التي تتيح لهم معالجة تشوهات صور النجوم والكواكب والمجرّات من التشتت الضوئي في الغلاف الجوي (انظر: Nature 517, 430–432; 2015). والفكرة الأساسية هي جمع الضوء من نجم واضح مرجعي، ثم استخدام اللوغاريتمات في تقدير النسبة التي أدى الجو فيها إلى تشويش الصورة النقطية، وعدم وضوحها. بعد ذلك، تضبط اللوغاريتمات مرآة متخصصة في تعديل الأشكال، بحيث تلغي التشوهات الجوية عن طريق تحويل صورة النجم الدليلي إلى نقطة، وفي الوقت ذاته تجلب صور الأشياء البعيدة الأخرى إلى نقطة تركيز شديدة الوضوح.
تتسم هذه التقنية ـ للأسف ـ بصعوبة تطبيقها على الجسم البشري، إذ إن الأهداف في عمق الأنسجة البيولوجية لا تلمع كالنجوم، التي يجب أن تكون مضاءة من الخارج؛ كما أن معدل التشتت تزداد كثافته زيادة كبيرة عن معدل تشتت الضوء في الغلاف الجوي. لذلك.. يقول أوري كاتز، الباحث في الفيزياء البصرية في معهد لانجفن الباريسي: «سنحتاج إلى ما يعادل المرآة المعدلة للشكل ذات مليارات الجزيئات المتحركة؛ لتعويض التشتت الناجم عن قشرة البيضة». كان موسك وفيليكوب لا يتخطى أملهما حدود النجاح منذ بدء التجربة، إلا أن قلبيّ الثنائي حملا آمالًا عظيمة، بفضل التقدم التكنولوجي. ويذكر موسك أنه «حتى وقت قريب، كان من غير الطبيعي منطقيًّا التحكم في مليون بكسل، إلا أن في عام 2007 أصبحت الهواتف الذكية تقوم بذلك».
لذا.. استخدما جهاز «معدل الضوء الحَيِّزي»، وهو جهاز مماثل لشاشة العرض البلوري في الهاتف، يمكنه التحكم في نقل أجزاء مختلفة من شعاع الليزر، عن طريق تأخير جزء واحد مرتبط بجزء آخر. وأطلقوا شعاع الليزر من خلال الجهاز في اتجاه الشريحة الزجاجية المطلية، ووضعوا مكشاف وراء الشريحة، ثم استخدموا الكمبيوتر لمراقبة كمية الضوء التي التقطها المكشاف. بعد ذلك.. أضاف الكمبيوتر فترات التأخير التي حدثت عند كل بكسل من معدل الضوء الحّيِّزي، وطرحها من المعادلة، ثم طبّق عملية التجربة والخطأ؛ لمعرفة ما هو التغير الذي يقلل من تشتت ضوء الليزر أثناء مروره خلال الشريحة. كان الهدف من هذا الأمر فعليًّا هو محاولة كسر الضوء الوارد الذي سيلغيه الحاجز المعتم تمامًا، فاستخدم موسك وفيليكوب المعدلات اللوغاريتمية لأكثر من ساعة؛ وعند ضبطها، توصّلا إلى نتيجة مخالفة لجميع توقُّعاتهما. فقد وجدا تركيزًا ضوئيًّا، كثافته تزيد ألف مرة عن إشارة الخلفية1. ومن ثم، عَلَّق كاتز قائلًا: «تجربة موسك وسّعت مداركنا... وغيَّرت النموذج الأساسي لاستخدامات الضوء المرئي».
بعد النجاح الذي تحقق، عرف موسك أن هناك عملًا مماثلًا انتهى منه مهندس بيولوجي، اسمه تشانج هويا يانج، وفريقه البحثي في معهد كاليفورنيا التكنولوجي في مدينة باسادينا. استخدم هؤلاء الباحثون تقنية مختلفة لتركيز الضوء البصري المشتت، ومادة معتمة مختلفة، وهي بمثابة شريحة رقيقة من صدور الدجاج2. وقد اندهشوا أيضًا من سهولة القيام بهذا الأمر. يقول يانج إنه وضع في حسبانه قضاء ستة أشهر في العمل على هذه التجربة؛ و«إذا لم تنجح؛ سنضمّها إلى قائمة خبرات الماضي.. إلا أن الأمر في الواقع لم يكن صعبًا».
بعد فترة وجيزة من نشر البحثين، عَجّ هذا المجال بفيزيائيين آخرين، راغبين في المشاركة، من بينهم جاكوبو بيرتولوتي، باحث الفيزياء البصرية، الذي انضم إلى موسك في عام 2010. ويصرح بيرتولوتي من موقعه الآن في جامعة إكستر بالمملكة المتحدة بأنه كان مفتونًا «بجمال التجربة» والقدرات التي ستدعم بها التصوير الطبي، لكنه يمكن أن يقول إن هذا الهدف لا يزال بعيد المنال.
«حتى لو نعتوني بالجنون، أؤمن بأننا في نهاية المطاف سنتمكن من تصوير الجسم بالكامل باستخدام الضوء المرئي».
كانت المسألة الأولى التي واجهت بيرتولوتي هي هيكل تجربة موسك الأصلي الذي يتطلب كاميرا تُوضع خلف السطح المُعتم. وهذه مشكلة في التطبيقات الطبية، لأن وضع كاميرا تحت الجلد قد يتطلب عملية جراحية اختراقية، وخطيرة، ونادرًا ما تستحق المخاطرة. وفي عام 2012، ابتكر بيرتولوتي وموسك وزملاؤهم وسيلة لوضع كل من مصدر ضوء الليزر والمكشاف أمام السطح4.
كان هدفهم تصوير الحرف اليوناني (π) في صورة فلورية، حيث يبعد خمسين مايكرومترًا من شاشة معتمة رقيقة، ويستتر وراءها. على هذا النحو، كان الهدف تقريبًا في حجم الخلية، ويتشابه مع التقنيات الطبية التي تنطوي على حقن الأصباغ الفلورية في الأنسجة الحية؛ للمساعدة في التصوير. عندما تم تشغيل الليزر، أخذت الفوتونات في الارتداد خلال طريقها عبر الشاشة، فصدرت إضاءة متبعثرة لحرف (π) الفلوري. أما الضوء المنعكس عن الحرف، فسيأخذ طريق عودته خلال الشاشة، وسيصدر نموذج تصويري ضبابي ومنقَّط على الجانب الآخر. وهذا الأمر برمته أشبه بمحاولة رؤية الحرف من خلال ستارة الحمّام.
وحتى الآن، لا يزال شكل الحرف مُشفّرًا في الضوء المشتت. ولاسترداد هذا الشكل، سجَّل الفريق هذا التصوير المنقَّط، وحركوا الليزر؛ ليسطع ضوؤه من زاوية مختلفة، ثم سجّلوا التصوير المنقَّط من جديد4. وبتكرار ذلك عدة مرات، ومقارنة أنماط التصوير نقطة بنقطة، من الممكن أن يكشف جهاز الكمبيوتر العلاقة بين هذه الأنماط التصويرية. ومن ثم، نعمل بطريقة عكسية لإعادة بناء حرف (π) المخفي.
لا شك أن ما تَحقق في حد ذاته يُعَدّ إنجازًا في رأي بيرتولوتي، إلا أنه لم يرتق بعد إلى مستوى مقبول، حيث إنه «يعمل فقط إذا كان الجسم المراد تصويره مستقرًّا على الجانب الآخر من الوسط المشتت». وفي المقابل، على مستوى عديد من التطبيقات الطبية، كتصوير قاع الدماغ أو الأوعية الدموية الداخلية، يكون فيها الهدف محجوبًا داخل الأنسجة.
عن ظهر قلب
قررت مجموعات بحثية، من بينها مجموعتا يانج ووانج، خوض تحدِّي التصوير داخل الوسط المُشتت. ففي عام 2013 ـ على سبيل المثال ـ حقَّق فريق يانج هذا الإنجاز بدقة تفاصيل لم يسبق لها مثيل، حيث التقط صورة فلورية لخرزة بدقة مايكرومتر واحد فقط، محشورة بين طبقتين صناعيّتين معتمتين5.
نجح يانج، بالتعاون مع بنيامين جودكويتز ـ الباحث في علم الأحياء ـ وباقي الفريق البحثي في تحقيق ذلك عن طريق إضاءة الوسط، والسماح للضوء بالارتداد خلال طريقه إلى الجانب الآخر، ثم عكسه مرة أخرى بمرآة «ارتداد الزمن»، وهو الأمر الذي يفرض على كل شعاع ضوئي تَقَفِّي مساره تقفيًا دقيقًا. وهذه التقنية، على الرغم من نجاحها، ستقضي على كافة أشكال التشتت. لذا.. وجَّه الفريق اهتمامه إلى شعاع الموجات فوق الصوتية ـ الذي لا يتشتت ـ عند تسلطه على نقطة واحدة في المنتصف، علمًا بأن تردد أي ضوء مرئي صادف مروره من عند هذه البؤرة سيتغير تغيرًا طفيفًا.
على مستوى آخر، أعد الباحثون مرآة ارتداد الزمن، بحيث تعكس فقط الضوء الذي تعرض لهذا التغيير في التردد. كانت النتيجة صدور شعاع دقيق، ومعكوس زمنيًّا، يمر تلقائيًّا مرة أخرى من خلال البؤرة، ويضيف طاقته إلى ضوء المسار الأول. حوّل هذا تركيز الموجات فوق الصوتية إلى بقعة ذات كثافة إشعاعية عالية نسبيًّا، أشبه «بشعلة داخل الجدار»، حسبما أفاد جودكويتز، الذي يعمل حاليًا في مستشفى جامعة شاريتيه في برلين. أما النتيجة الأكثر إرضاءً، فتلخصت في إمكانية نقل تركيز الموجات فوق الصوتية من داخل الوسط، مثلما مرّ فوق الخرزة المحشورة، فأبرزها في صورة فلورية (انظر: «الصوت والضوء»).
ومع ذلك.. لا يزال هناك شوط طويل أمام هذه التقنية لرؤية الطبقات العميقة من الأنسجة، التي تشكل تحديًا آخر أصعب من ذلك بكثير، حيث إنها تميل إلى التحرك باستمرار، نتيجة لتدفق الدم والتنفس. ويري ماتياس فينك ـ الباحث في علوم الفيزياء في لانجيفين، الذي صار من رواد إصدار من إصدارات تقنية ارتداد الزمن في تسعينات القرن الماضي باستخدام الموجات فوق الصوتية فقط6 ـ أن «استخدام هذه التكنولوجيا في الطب ما زال يبعد عنا بكثير، لأن هذه التقنيات لا تعمل إلا إذا كان زمن وسط التشتت ثابتًا تمامًا». وغالبية المجموعات قلّصت توقيت ساعة موسك الأصلية إلى ما يقرب من عشرات الثواني، كما يذكر كاتز، وهذا جيد لتصوير حَبّة أو حرف (π)، وليس لتصوير ورم في الجسد.
في العام الماضي، توصّل فريق بحثي بقيادة سيلفان جيجان، الفيزيائي في مختبر كاستلر بروسل في باريس ـ بما في ذلك كاتز وفينك ـ إلى طريقة إعادة بناء صورة لجسم محجوب، من خلال لقطة كاميرا واحدة7. ويصف جيجان الأمر بأنه «يشبه السحر عندما ترى تجمع المعادلات اللوغاريتمية لتكوين الصورة النهائية».
يوافق وانج على أن السرعة هي جوهر المسألة، حيث يقول إن «كل شيء في حركة، وليس لدينا سوى متسع زمني يمتد إلى ميلِّي ثانية لتكوين صورة». وفي بحث نُشر في يناير الماضي3، تمكّن وانج وفريقه من الحصول على صورة عبر سرعة أقل من 5.6 ميلّي ثانية، وذلك شيء «سريع بما فيه الكفاية بالنسبة لالتقاط صورة مختارة من وسط حيوي». وبالغضافة إلى ذلك.. كان هدفهم مصنوعًا من جيلاتين ملطخ بالحبر، ومحشورًا بين أذن فأر مُخدَّر، وناشر أرضي من الزجاج. ويفصح بيرتولوتي أن نجاح التجربة مع فأر حي أمر مثير للإعجاب، رغم أنه يشير إلى أن «الانتقال من تصوير أذن الفأر، الرقيقة نسبيًّا، إلى تصوير جلد الإنسان ولحمه لا يزال يحتاج الكثير من العمل الإضافي».
يضيف بيرتولوتي أنه اعتبارًا من اليوم لم تعد هناك طريقة تصوير أفضل من البقية.. فكلٌّ له مزاياه وعيوبه، «وبدلًا من تطوير أسلوب واحد يناسب كل شيء، أعتقد أننا سوف نطور مجموعة من التقنيات التي يمكن يومًا ما أن تجتمع في جهاز واحد.. ولا أعرف ما السرعة المحتملة لإتمام ذلك، لكن هذا مجتمع حديث العهد، وأمواج حركته سريعة، ولذلك.. يمكن أن نتوصل إلى جهاز كهذا في غضون بضع سنوات».
من الممكن للتقنيات التي يطورها المهندسون البيولوجيون والفيزيائيون من أجل الاستخدام الطبي أن تمتد لخدمة أغراض أخرى. فموسك ـ على سبيل المثال ـ يعتقد أن هذه الأساليب يمكن أن تكون أداة لإحياء الفن، حيث إن «معظم الرسامين يرسمون أعمالهم في عدة طبقات، والطبقات السفلى يمكنها أن تؤثر على عمر اللوحة كيميائيًّا وفيزيائيًّا. ولذلك.. من المهم أن نتعرف على الحالة الداخلية، إذا كنت تريد الحفاظ على عملك». وإضافة إلى ذلك.. من الممكن للطرق المستخدمة ـ التي تمنع تشتت الضوء ـ أن تساعد في صناعة الاتصالات، من أجل القضاء على التداخل الموجي الناتج عن تشتت الضوء في الألياف البصرية. ولا شك أن هذه التقنية ستخدم عميلًا آخر خدمة كبيرة. وهذا العميل هو القوات المسلحة، حسبما يقول فينك. ويرى فينك أن تلك التكنولوجيا يمكن استخدامها لكي يرى الجنودُ العدوَ من وراء الحواجز الفاصلة، عبر درع محمول، إمّا شاشة مادية، أو رذاذ ضبابي. ويستطرد قائلًا إن «الأمر ليس كالتَّخَفِّي؛ فهو يعطيك فرصة رؤية الآخرين، دون أن يلاحظوا ذلك».
أخيرًا، تشحذ همة علماء هذا المجال عندما يطلقون العنان للتفكير في آفاق هذا الحقل العلمي اليافع. ويحرص جيجان، شخصيًّا، على ألا يحجب التطبيقات التي توصل إليها، ويعلل ذلك بأنه «وقتما حرصنا على إخبار العامة بما نفعله، ثمة شخص كان يسأل عن إمكانية التوصل إلى تطبيق على الهاتف الذكي يسمح بالرؤية من خلال ستائر الحمام... وهذا شيء نستطيع أن نفعله بالتقنيات التي توصلنا إليها، إلا أن ذلك ليس مقصدنا».
اضف تعليق