Intensity-based scattering correction enables in vivo two-photon imaging beyond 1 mm

يعتبر الدماغ حصناً من الأنسجة البيولوجية، كثيفة وغائمة، مما يجعل النظر في أعماقه باستخدام الضوء تحدياً هائلاً. لعقود من الزمن، استخدم العلماء تقنية تصوير قوية تسمى المجهر ثنائي الفوتون (two-photon microscopy) للنظر داخل الأدمغة الحية بوضوح مذهل. تستخدم هذه الطريقة نبضات من الضوء لجعل العلامات الفلورية الصغيرة تتوهج، مما يسمح للباحثين برؤية الخلايا الفردية واتصالاتها. ومع ذلك، كلما تحرك الضوء بشكل أعمق، فإنه يرتد عن أنسجة الدماغ المشتتة، تماماً مثل شعاع المصباح اليدوي الذي يتشتت في ضباب كثيف. هذا التشتت يؤدي إلى تشويش الصورة وتخفيت الإشارة، مما يحصر رؤية المجهر فعلياً داخل الطبقة العليا من الدماغ، وهي القشرة المخية. ولرؤية الهياكل الأكثر عمقاً، مثل الحصين (hippocampus)، وهو جزء حيوي للذاكرة، اضطر الباحثون تقليدياً إلى الانتقال إلى مجاهر ثلاثية الفوتون أكثر تعقيداً وتكلفة، أو استخدام أطوال موجية أطول من الضوء يصعب توليدها.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، ديفيس، طريقة الآن لدفع حدود المجاهر ثنائية الفوتون القياسية إلى أعماق أكبر بكثير مما كانت عليه من قبل. فقد طوروا طريقة جديدة تسمى "DeepFOCUS"، وهي تستخدم شكلاً من أشكال الذكاء الاصطناعي ليس لإصلاح صورة ضبابية بعد التقاطها، بل لتشكيل الضوء حتى قبل دخوله إلى الدماغ. ومن خلال حساب نمط محدد لشدة الضوء في الوقت الفعلي، يقوم النظام بالتعويض عن الأنسجة المشتتة، مما يسمح للضوء بالتركيز بحدة حتى على عمق مليمتر واحد أو أكثر تحت السطح. هذا الاختراق يعني أن المجاهر ثنائية الفوتون الموجودة حالياً، والتي تعد شائعة في مختبرات علوم الأعصاب، يمكن تطويرها تقنياً لرؤية هياكل الدماغ العميقة دون الحاجة إلى أجهزة جديدة ومتخصصة بالكامل.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في كيفية تعامل الباحثين مع فوضى تشتت الضوء. فعندما يمر الضوء عبر الدماغ، فإنه يتعرض للارتباك، وتصل الفوتونات إلى الهدف في حالة من عدم الانتظام. تحاول الطرق التقليدية عكس هذا الارتباك عن طريق قياس التشوه وتطبيق تشوه مضاد، لكن هذا غالباً ما يفشل في الأنسجة العميقة لأن الإشارة تصبح ضعيفة جداً بحيث لا يمكن قياسها بدقة. اتخذ فريق DeepFOCUS نهجاً مختلفاً؛ فبدلاً من محاولة عكس جبهة الموجة للضوء، ركزوا على شدة الضوء، أو سطوعه. واستخدموا جهاز ميكرومرآة رقمي (digital micromirror device)، وهو شريحة مغطاة بآلاف المرايا الصغيرة، لإسقاط أنماط عشوائية من الضوء على الدماغ. ومع اصطدام هذه الأنماط بالأنسجة، فإن بعض أجزاء الضوء تتداخل بناءً، مما يخلق بقعة أكثر سطوعاً، بينما تلغي أجزاء أخرى بعضها البعض.

قام النظام بعد ذلك بقياس التوهج الناتج من العلامات الفلورية في الدماغ. وقامت شبكة عصبية خفيفة الوزن وذات تعلم ذاتي بتوجيه وتحليل قياسات السطوع هذه لمعرفة أي مرايا محددة على الشريحة يجب تشغيلها لإنشاء نمط الضوء الأكثر فعالية. لم تعتمد هذه الشبكة على قاعدة بيانات مصورة مسبقة التدريب، بل تعلمت مباشرة من ظروف التشتت الخاصة بالدماغ الذي تنظر إليه حالياً. وبمجرد أن حددت الشبكة النمط الأفضل، قامت بإسقاط ذلك النمط على الدماغ، مما أدى إلى تشكيل الضوء مادياً ليخترق الأنسجة المشتتة ويركز بحدة على الهدف. تحدث هذه العملية في الوقت الفعلي، مما يسمح للمجهر بالمسح وتصحيح الصورة أثناء حركته.

اختبر الباحثون هذا النظام على فئران حية، حيث قاموا بتصوير عبر كامل سمك قشرة الدماغ والمادة البيضاء عالية التشتت الموجودة تحتها. وبدون التصحيح، أصبحت صور الأوعية الدموية والخلايا العصبية غير واضحة وتلاشت بسرعة كلما تعمق المجهر. وباستخدام DeepFOCUS، نجح الفريق في تصوير الأوعية الدموية الفلورية حتى عمق 1.1 مليمتر، ورؤية الخلايا العصبية الفردية في الحصين عند عمق 1.2 مليمتر. وعند هذه الأعماق، كشفت الصور المصححة عن تفاصيل دقيقة، مثل الشعيرات الدموية الصغيرة والفروع الرقيقة للخلايا العصبية، بوضوح كان مستحيلاً سابقاً باستخدام المجهر ثنائي الفوتون القياسي عند طول الموجة الذي استخدموه. حقق النظام ذلك من خلال تقسيم الدماغ إلى مناطق فرعية صغيرة وحساب نمط تصحيح فريد لكل منها، مما يضمن بقاء الضوء مركزاً حتى مع تغير خصائص التشتت عبر مناطق مختلفة من الدماغ.

يوضح هذا العمل أن حد العمق للمجهر ثنائي الفوتون ليس حاجزاً ثابتاً، بل هو تحدٍ يمكن التغلب عليه من خلال التحكم الأذكى في الضوء. أظهر الباحثون أنه من خلال استخدام شبكة عصبية لحساب أنماط الشدة الصحيحة، تمكنوا من استعادة الإشارة من أعماق كانت في السابق متاحة فقط للأنظمة الثلاثية الفوتون الأكثر تعقيداً. تعمل الطريقة عن طريق تشكيل ضوء الإثارة مادياً لتعزيز الإشارة، بدلاً من محاولة الاستعادة الرقمية لصورة متدهورة بعد حدوثها. وهذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يتجنب خطر خلق تفاصيل زائفة، أو "هلوسات"، يمكن أن تحدث عندما يحاول البرنامج تخمين كيف ينبغي أن تبدو الصورة الضبابية. بدلاً من ذلك، يقوم النظام بالتحقق من كل تصحيح عن طريق قياس الفلورة الفعلية التي ينتجها.

إن الآثار المترتبة على هذا البحث في علم الأعصاب كبيرة. فالحصين منطقة حيوية للتعلم والذاكرة، ومع ذلك كان من الصعب دراسته في الحيوانات الحية دون إجراءات جراحية. ومن خلال تمكين التصوير عالي الدقة لهذا الهيكل العميق في دماغ سليم، يفتح DeepFOCUS آفاقاً جديدة لمراقبة كيفية عمل الدوائر العصبية في الوقت الفلي. وأشار الباحثون إلى أنه يمكن تنفيذ نظامهم عن طريق ترقية المجاهر ثنائية الفوتون الحالية بجهاز ميكرومرآة رقمي والبرمجيات اللازمة، مما يجعل تصوير أعماق الدماغ متاحاً لمختبرات العالم. وبينما لا تصل هذه التقنية بعد إلى أقصى الحدود العميقة للدماغ، إلا أنها تدفع بحدود الممكن باستخدام المعدات القياسية، مما يثبت أن تصوير الأنسجة العميقة يمكن تحقيقه من خلال التلاعب الذكي بشدة الضوء بدلاً من الاعتماد فقط على القوة الغاشمة أو الأجهزة الأكثر تعقيداً.

كما قيمت الدراسة بعناية معايير نظامهم لضمان المتانة. فقد اختبروا كيف يؤثر عدد أنماط الضوء المستخدمة للاستشعار على جودة التصحيح، ووجدوا أن عدداً معيناً من القياسات يوفر توازناً موثوقاً بين السرعة والدقة. كما قاموا بتحسين بنية الشبكة العصبية، وتحديد الحجم المثالي لوحدات المعالجة الداخلية للتعامل مع البيانات بكفاءة دون تعقيد غير ضروري. أكدت هذه الاختبارات أن النظام يمكنه التكيف مع ظروف التشتت المختلفة والحفاظ على أداء عالٍ عبر أعماق وأنواع مختلفة من الأنسجة. وكانت النتائج متسقة، حيث أظهرت زيادات كبيرة في سطوع الصورة ووضوحها، حيث شهدت بعض المناطق تحسناً في قوة الإشارة يصل إلى ستة أضعاف تقريباً.

في نهاية المطاف، يقدم هذا البحث مساراً عملياً لدراسة أعماق الدماغ. فهو يسد الفجوة بين قدرات تكنولوجيا الفوتون الثنائي الحالية واحتياجات علماء الأعصاب الذين يتطلب عملهم الوصول إلى المناطق تحت القشرية. ومن خلال تحويل مشكلة التشتت إلى لغز يمكن للشبكة العصبية حله، قدم الفريق أداة قوية وقابلة للتكيف. إن القدرة على الرؤية في أعماق الدماغ الحي بدقة تحت خلوية، باستخدام طريقة متوافقة مع التجهيزات المختبرية الحالية، تمثل خطوة هامة نحو فهم الآليات المعقدة للدماغ في حالات الصحة والمرض. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة الجمع بين الفيزياء البصرية والأساليب الحسابية الحديثة لحل التحديات البيولوجية طويلة الأمد.