مراقبة الدماغ وهو يعمل عبر الجمجمة، بالضوء والصوت
غيّر التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي طريقتنا في مراقبة الدماغ البشري أثناء عمله. لكنه لا يستشعر الدم الفقير بالأكسجين إلا على نحو غير مباشر، عبر تأثيره في جزيئات الماء، ويحتاج إلى مغناطيس فائق التوصيل ضخم ومكلف وصاخب ومغلق. وتقايض أدوات أخرى ميزةً بأخرى: فالتسجيلات الكهربائية سريعة لكنها ضبابية مكانيًا، والضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء يرى الدم لكنه يتشتت كثيرًا فلا يعطي صورًا حادة.
يوفّر التصوير المقطعي الضوئي الصوتي طريقًا آخر. تدخل نبضات ليزر قصيرة إلى النسيج؛ وحين يمتص الهيموغلوبين الضوء، يولّد موجات فوق صوتية تلتقطها المستشعرات لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد. ويمتص الهيموغلوبين الغني بالأكسجين والفقير به ألوانًا مختلفة، لذا يستطيع ليزران التمييز بينهما. والجهاز أصغر حجمًا وأرخص وأهدأ من ماسح الرنين المغناطيسي، ولا مغناطيس فيه إطلاقًا.
لكن ثمة عقبة: لدى البالغين، لم ينجح التصوير الضوئي الصوتي الوظيفي للدماغ إلا لدى أشخاص فقدوا جزءًا من جمجمتهم بعد جراحة. فالعظم يُضعف الضوء والصوت معًا، ويشوّه الموجات، ويولّد أصداء. كما أن تغيرات الإشارة الناجمة عن مهمة ذهنية أو حركية لا تتجاوز بضعة في المئة — وتغرق بسهولة إذا تحرك الرأس جزءًا من المليمتر.
وعاء من 3,072 أذنًا
تصدّى يي لين لوو وروي كاو ومانشيو تسوي وليهونغ وانغ وزملاؤهم في معهد كاليفورنيا للتقنية، مع فريق داني وانغ في جامعة جنوب كاليفورنيا، للمشكلتين معًا.
- رصّوا 3,072 مستشعرًا فوق صوتي في وعاء نصف كروي حول الرأس — وهو أعلى عدد قنوات حتى الآن — لكل منها مضخّمها الخاص. وهي تُنصت عند تردد منخفض، 1 ميغاهرتز، يعبر العظم بسهولة أكبر.
- مقارنةً بنظام الفريق السابق، يبلغ الكسب التقديري في نسبة الإشارة إلى الضوضاء عبر الجمجمة نحو 273 ضعفًا، وهو ما يكفي لتعويض جمجمة تُضعف الإشارة بنحو مئة مرة.
- يُطلق ليزران، بطولَي موجة 1,064 و755 نانومترًا، بالتناوب. وتعطي كل نبضة صورة ثلاثية الأبعاد كاملة، 20 حجمًا في الثانية، دون أي أجزاء متحركة — فلا تشويش ناتج عن المسح.
- ارتدى كل متطوع خوذة شخصية مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد، صُممت انطلاقًا من مسح ثلاثي الأبعاد لرأسه. وبقيت حركة الرأس عادةً في حدود نحو 0.1 مليمتر و0.1 درجة خلال جلسة مدتها 7.5 دقائق.
وعلى جمجمة بشرية أُخذت من جثة ومُلئت بالهلام، ظل النظام قادرًا على رؤية أنبوب مملوء بالدم وُضع داخلها، رغم أن إشارته كانت أضعف بنحو 300 مرة مما هي في الخارج.
أصابع وشفاه ومراجعة بقوة 7 تسلا
نقر أربعة رجال أصحاء، تتراوح أعمارهم بين 24 و56 عامًا، بأصابع يد واحدة أو زمّوا شفاههم، 30 ثانية نشاطًا و30 ثانية راحة. وخضع كل منهم أيضًا لفحص في جهاز رنين مغناطيسي عالي المجال بقوة 7 تسلا مرجعًا للمقارنة.
- حدّدت الطريقة استجابات النقر بالأصابع في منطقة الدماغ المتوقعة المسؤولة عن الحركة واللمس، في الجهة المقابلة لليد المتحركة، بما يطابق الرنين المغناطيسي.
- ميّزت اليد من الفم: في جميع التوليفات الست عشرة من الشخص وجهة الدماغ والمهمة، كانت الخريطة الضوئية الصوتية أقرب إلى خريطة الرنين للمهمة نفسها منها إلى خريطة المهمة الأخرى.
- كرّرت نفسها: لدى أحد المتطوعين، وقعت خمس جلسات موزعة على زيارتين يفصل بينهما ثلاثة أشهر كلها في المنطقة نفسها.
- تحرّك لونا الليزر في اتجاهين متعاكسين أثناء المهمة، كما هو متوقع من اختلاف حساسيتهما للدم الغني بالأكسجين والفقير به. وتتبّعت إشارة الضوء والصوت عند 1,064 نانومترًا إشارةَ الرنين المغناطيسي عن كثب، بمعامل ارتباط قدره 0.92.
التفاصيل الدقيقة
وقعت الخرائط الضوئية الصوتية في المتوسط على بعد 11.4 مليمترًا من خرائط الرنين، منزاحةً بانتظام نحو سطح الدماغ. ويعدّد المؤلفون عدة أسباب محتملة لا يستطيعون الفصل بينها بعد: التشوه الناتج عن الجمجمة، وأخطاء المطابقة بين الأجهزة، وانزياح الدماغ مع وضعية الجسم، والفروق بين جلسة وأخرى. ولم يُختبر سوى أربعة مشاركين، جميعهم رجال، في مهام حركية بسيطة، وحُلق الشعر فوق المنطقة المصوَّرة.
يُعلن ليهونغ وانغ عن مصلحة مالية في ثلاث شركات للتصوير الضوئي الصوتي، ويذكر المؤلفون أنها لم تدعم هذا العمل.
يرى الفريق منصةً يمكن أن تعمل إلى جانب أدوات أخرى — التسجيلات الكهربائية، وتحفيز الدماغ، وواجهات الدماغ والحاسوب — يصعب جمعها مع مغناطيس الرنين. ومع ليزرات أصغر حجمًا، يأملون دراسة الدماغ في ظروف أكثر طبيعية.