Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

تخيل أنك تحاول التقاط صورة ثلاثية الأبعاد مثالية لكائن حي صغير دون سحقه أو جعل الصورة ضبابية. لطالما أراد العلماء القيام بذلك لفهم كيفية عمل البيولوجيا من الداخل إلى الخارج، ولكن هناك عقبة: الضوء عادة ما يمر عبر الأشياء الناعمة مثل الخلايا أو الأنسجة دون أن يترك ظلاً. ولحل هذه المشكلة، يستخدم الباحثون الأشعة السينية، والتي يمكنها الرؤية عبر المواد الناعمة، لكنهم يحتاجون إلى خدعة خاصة تسمى "تباين الطور" (phase contrast) لتحويل التغيرات غير المرئية في شعاع الأشعة السينية إلى صورة مرئية. فكر في الأمر مثل مراقبة سباح يتحرك عبر الماء؛ لا يمكنك رؤية السباح، ولكن يمكنك رؤية التموجات التي يتركها خلفه. ومن خلال رسم خرائط لتلك التموجات، يمكنك معرفة مكان السباح بالضبط وشكله.

ومع ذلك، فإن الحصول على صورة ثلاثية الأبعاد واضحة لهذه الأجسام الدقيقة والحساسة أمر بطيء وصعب للغاية. إنه يشبه محاولة التقاط صورة لطائر طنان أثناء طيرانه، ولكن عليك إيقاف الطائر، والتقاط صورة، ثم تحريكه قليلاً، ثم إيقافه مرة أخرى، وتكرار ذلك آلاف المرات. يتعب الطائر، وقد تهتز الكاميرا، وتستغرق العملية وقتاً طويلاً جداً. هذا هو الوضع الحالي لـ "البتيكوغرافيا في المجال القريب" (near-field ptychography)، وهي طريقة تصوير عالية التقنية توفر تفاصيل مذهلة ولكنها غالباً ما تكون بطيئة جداً للاستخدام العملي، خاصة للعينات البيولوجية الهشة التي قد تجف أو تتضرر بفعل الأشعة السينية إذا استغرقت عملية المسح وقتاً طويلاً.

يقدم هذا البحث طريقة لتسريع العملية وجعل إعداد العينات أسهل بكثير. فقد بنى الباحثون نظام "الدوران الطائر" (fly-rotation) الجديد الذي يسمح للعينة بالدوران المستمر بينما تلتقط الكاميرا الصور، بدلاً من التوقف والبدء مثل أسطوانة مكسورة. كما اخترعوا مخرطة ميكانيكية دقيقة يمكنها نحت العينات البيولوجية إلى أعمدة مجهرية مثالية بشكل أسرع بكماً من الطرق السابقة. ومن خلال الجمع بين هذين الابتكارين، تمكنوا من تقليص الوقت اللازم للمسح ثلاثي الأبعاد بالكامل بهامش كبير، مما جعل من الممكن رؤية التفاصيل المعقدة للأشياء مثل أنياب الفيلة والحشرات الصغيرة بدقة نانومترية، وكل ذلك دون الحاجة إلى غرفة مفرغة من الهواء أو تجميد العينة.

المشكلة: الكاميرا بطيئة الحركة

تخيل أنك تحاول بناء نموذج ثلاثي الأبعاد لجسم صغير وهش، مثل حبة رمل أو قطعة من ورقة شجر. للقيام بذلك باستخدام الأشعة السينية، يجب عليك تدوير الجسم والتقاط آلاف الصور من كل زاوية. في الطريقة القديمة (التي تسمى "دوران الخطوات" أو step-rotation)، تقوم الآلة بتدوير الجسم إلى زاوية معينة، ثم تتوقف تماماً، وتنتظر حتى تستقر حتى لا تهتز، ثم تلتقط مجموعة من الصور، ثم تتوقف مرة أخرى، وتدور قليلاً، وتكرر ذلك.

طريقة "التوقف والانطلاق" هذه تشبه محاولة التقاط صورة لسيارة سباق من خلال القيادة بجانبها، والتوقف كل بضعة أقدام لالتقاط صورة، والانتظار حتى تتوقف السيارة، ثم البدء من جديد. إنها تضيع وقتاً هائلاً في انتظار حركة المحركات والاستقرار. بالنسبة للبتيكوغرافيا في المجال القريب، يعد وقت الانتظار هذا هو العائق الأكبر. إذ يجب مسح الجسم عبر العديد من المواضع عند كل زاوية، مما يعني أن المحركات تبدأ وتتوقف باستمرار. وهذا لا يجعل المسح يستغرق ساعات فحسب، بل يزيد أيضاً من خطر تحرك العينة أو تضررها بالأشعة السينية خلال فترة الانتظار الطويلة هذه.

الحل: خدعة "الدوران الطيري"

سأل الباحثون سؤالاً بسيطاً: "ماذا لو لم نتوقف؟". لقد قدموا طريقة تسمى "الدوران الطائر" (fly-rotation). فبدلاً من إيقاف العينة عند كل زاوية، تركوا دورانها مستمراً، مثل مشغل الأسطوانات، بينما تلتقط الكاميرا الصور.

فكر في الأمر مثل تصوير فيديو لبلبل يدور بدلاً من التقاط سلسلة من الصور الثابتة. في الطريقة القديمة، ستوقف البلبل، وتلتقط صورة، ثم تديره قليلاً، وتوقفه مرة أخرى، وتلتقط صورة أخرى. في طريقة "الدوران الطائر" الجديدة، يستمر البلبل في الدوران، وتلتقط الكاميرا الصورة أثناء حركته. ولأن العينة لا تضطر أبداً إلى التوقف والبدء، فإن الآلة لا تضيع الوقت في انتظار تلاشي الاهتزازات.

اختبر الفريق هذه الطريقة على عمود من عاج الفيل (نعم، من ناب!). وقارنوا بين مسح "التوقف والانطلاق" القديم ومسح "الدوران الطائر" الجديد. كانت النتائج مبهرة:

• الطريقة القديمة: استغرق المسح 6 ساعات و4 دقائق.
• الطريقة الجديدة: استغرق المسح 3 ساعات و41 دقيقة.

والأفضل من ذلك، عندما قاموا بتعديل الإعدادات لتكون أسرع (بالتقاط عدد أقل من الصور وتقليل وقت تعرض العينة)، تمكنوا من إكمال مسح كامل في 72 دقيقة فقط. الوقت "الضائع" الذي يُقضى فقط في تحريك المحركات (الوقت الإضافي) انخفض من أكثر من 3 ساعات إلى 18 دقيقة فقط. هذا يمثل انخفاضاً بمقدار 11 ضعفاً في الوقت الضائع! وكانت الصور التي حصلوا عليها واضحة تماماً مثل الصور البطيئة، حيث أظهرت أنابيب دقيقة داخل العاج بدقة تبلغ حوالي 271 نانومتر (وهي تقريباً عرض فيروس).

المشكلة الأخرى: قطع الكعكة

قبل أن تتمكن من التقاط هذه الصور، يجب عليك تحضير العينة. غالباً ما تكون العينات البيولوجية كبيرة وناعمة جداً بحيث لا يمكن وضعها داخل شعاع الأشعة السينية. لذا يجب نحتها إلى أعمدة صغيرة، يقل عرضها عادة عن 50 ميكرومتر (أي أنها أرفع من شعرة الإنسان).

تقليدياً، استخدم العلماء آلة تسمى "الحزمة الأيونية المركزة" (FIB) لقطع هذه العينات. إنها تشبه استخدام ليزر فائق الدقة لنحت تمثال من كتلة من الجليد. ولكن بالنسبة للأشياء الناعمة والرطبة مثل النباتات أو الحيوانات، فإن هذا الليزر يكون بطيئاً جداً ويمكن أن يحرق أو يجفف العينة. قد يستغرق نحت عمود واحد صغير ما يصل إلى 48 ساعة، ومن السهل جداً كسر العينة أثناء العملية.

لحل هذه المشكلة، بنى الفريق "آلة صقل عينات" ميكانيكية. تخيل مخرطة خشب صغيرة عالية السرعة، ولكن بدلاً من الخشب، هي تنحت قطعة من سمكة الزيبرا أو ورقة طحلب. تمسك الآلة بالعينة على مغزل دوار واحد وتقطعها بأداة حادة على مغزل آخر. ولأن القطع ميكانيكي وليس بالليزر، فهو أسرع وأكثر رفقاً بالمواد الناعمة.

اختبر الفريق هذه الآلة على أنواع مختلفة من المواد:

• قطعة من السجق (مجففة لتصبح متماسكة).
• قسم من سمكة الزيبرا (مغمورة في الشمع).
• عينة من الطحالب (مغمورة في البلاستيك).
• عود أسنان خشبي.
• عاج الفيل.

نجحت الآلة في نحت أعمدة من كل هذه المواد، بأقطار تصل إلى 20 ميكرومتر للفولاذ و35 ميكرومتر للخشب. إنها سريعة، وموثوقة، ولا تتطلب تجميد العينة أو وضعها في فراغ. وهذا يعني أن العلماء يمكنهم تحضير العينات في دقائق بدلاً من أيام، مما يفتح الباب لدراسة المزيد من المواصفات البيولوجية.

الصورة الكبيرة

من خلال الجمع بين خدعة مسح "الدوران الطائر" وآلة القطع الميكانيكية الجديدة، جعل الباحثون النظام أسرع، وأسهل في الاستخدام، وأكثر مرونة مما هو متاح حالياً. لم يكتفوا بجعل المسح أسرع فحسب، بل جعلوا العملية برمتها للحصول على صورة ثلاثية الأبعاد لعينة بيولوجية صغيرة أكثر سهولة وتوافراً.

لاحظ الفريق أيضاً أن إعدادهم مرن للغاية. يمكنهم تعديل المسافة بين العينة والكاشف لتغيء التكبير، مما يسم يسمح لهم بالنظر إلى أحجام مختلفة من الأجسام. حتى أنهم استخدموا لوحة ألماس خاصة بها نتوءات منحوتة بالليزر للمساعدة في إنشاء صور أفضل بواسطة الأشعة السينية. وهذه اللوحة الألماسية أكثر استقراراً من ورق الصنفرة الذي استخدموه سابقاً، والذي كان ينزاح ويفسد الصورة خلال عمليات المسح الطويلة.

في النهاية، يشير هذا العمل إلى أنه يمكننا الآن إجراء تصوير ثلاثي الأبعاد عالي الجودة بالأشعة السينية للأنظمة البيولوجية المعقدة في جزء بسيط من الوقت الذي كان يستغرقه الأمر سابقاً. وبينما لا يدعي البحث أنه حل سحري لجميع مشاهكل التصوير، إلا أنه يوضح أنه من خلال تغيير كيفية تحريك العينة وكيفية تحضيرها، يمكننا كسر حواجز السرعة التي أعاقت هذه التكنولوجيا لفترة طويلة. والنتي ت هي أداة يمكنها مساعدة العلماء على رؤية العالم البيولوجي ثلاثي الأبعاد المعقد بوضوح وسرعة غير مسبوقين.