Multiscale harmonization and semantic integration of biomedical data enable biological insights through immersive exploration

تخيل أنك تحاول فهم مدينة من خلال النظر إلى خريطة مسطحة ثنائية الأبعاد. يمكنك رؤية الشوارع والمباني، لكن لا يمكنك الشعماً بارتفاع ناطحات السحاب، أو عمق أنفاق المترو، أو كيف يتناسب شخص واحد داخل حشد هائل. الآن، تخيل أن هذه المدينة نفسها هي جسم بشري، وبدلاً من مجرد شوارع، أنت تحاول فهم كيفية عمل تريليونات الخلايا الصغيرة معاً داخل أعضاء مثل الكبد أو الدماغ. هذا هو التحدي الذي يواجه علم الأحياء الحديث. يجمع العلماء كميات هائلة من البيانات حول هذه الخلايا — أين توجد، وماذا تفعل، وكيف تتواصل مع بعضها البعض — لكنهم عادة ما يكونون عالقين في النظر إلى هذه المعلومات على شاشات كمبيوتر مسطحة. المشكلة هي أن جسم الإنسان عبارة عن لغز ثلاثي الأبعاد يمتد عبر مسافات شاسعة: من حجم الشخص بأكمله وصولاً إلى الحجم المجهري لخلية واحدة. لكي يفهم الباحثون حقاً كيف تعمل أجسامنا، يحتاجون إلى وسيلة للتقريب والابتعيد (الزوم) في هذا العالم البيولوجي، لرؤية كيف ترتبط خلية صغيرة بعضو كامل، وكيف يتناسب ذلك العضو مع الجسم بأكمله، كل ذلك مع الحفاظ على إدراكهم للمقياس.

هنا يأتي دور مشروع جديد يسمى "HRA: Powers of Ten". فكر فيه كأنه رحلة بالمنطاد أو المصعد في الواقع الافتراضي (VR) عبر جسم الإنسان. بدلاً من التحديق في شاشة مسطحة، يرتدي العلماء سماعة الواقع الافتراضي ويخطون إلى عالم ثلاثي الأبعاد حيث يمكنهم التجول فعلياً داخل الأعضاء، والإمساك بالخلايا بأيديهم، والتقريب أو الابتعاد مثل ركوب مصعد في ناطحة سحاب عملاقة مقلوبة. يصف البحث كيف بنى الفريق هذه التجربة الغامرة لمساعدة الباحثين على استكشاف البيانات البيولوجية المعقدة بطريقة تبدو طبيعية وبديهية. ومن خلال تحويل البيانات الجافة إلى مغامرة ثلاثية الأبعاد، يأملون في رصد الأنماط والروابط التي تكون غير مرئية عندما يتم تسطيح كل شيء على صفحة ثنائية الأبعاد. الأمر يشبه الفرق بين قراءة وصفة طعام وبين الدخول فعلياً إلى المطبخ لرؤية كيف تجتمع المكونات معاً.

رحلة المصعد عبر جسدك

الفكرة الجوهرية لهذا البحث هي أداة تسمى "نظام المصعد متعدد المقاييس" (Multiscale Elevator System). تخيل جسم الإنسان كناطحة سحاب ضخمة، ولكنها مقلوبة. الطابق العلوي هو الجسم بأكمله، ومع نزولك بالمصعد، يمثل كل طابق خطوة أقرب إلى العالم المجهري. مع كل طابق تنزل إليه، تتقلص بمقدار عشرة أضعاف. تبدأ من الأعلى، وتنظر إلى 81 عضواً مرجعياً ثلاثي الأبعاد. وبينما تهبط، قد تتوقف عند طابق "الأمعاء الغليظة"، ثم طابق "الأمعاء الدقيقة"، وفي النهاية، تهبط تماماً إلى طابق "مجموعات الخلايا"، حيث يمكنك رؤية الخلايا الفردية وحتى جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA).

يعرض البحث ثمانية "مشاهد" أو محطات محددة لهذه الرحلة بالمصعد، تم إنشاؤها بواسطة علماء مختلفين ساهموا ببياناتهم الخاصة. تغطي هذه المشاهد خمسة أعضاء مختلفة (العقدة الليمفاوية، الدماغ، الأمعاء الغليظة، الأمعاء الدقيقة، والكبد) وتستخدم خمسة أنواع مختلفة من الاختبارات المختبرية عالية التقنية (مثل CODEX وVisium وSBF-SEM) لجمع المعلومات. لم يكن الهدف مجرد صنع صورة جميلة؛ بل كان السماح للعلماء بالتفاعل فعلياً مع البيانات.

ما يمكنك فعله في عالم الواقع الافتراضي

بمجرد دخولك إلى مشاهد الواقع الافتراضي، يمكن للباحثين القيام بأشياء مستحيلة على الشاشة المسطحة. يمكنهم الإمساك بتكتل من الخلايا، وتدويره لرؤيته من كل زاوية، وحتى "تفجير" النسيج لفصل الخلايا عن بعضها ورؤية كيفية اتصالها.

• في العقدة الليمفاوية: استخدم العلماء هذه الأداة للنظر في الخلايا "الهرمة" (الخلايا التي توقفت عن الانقسام وتشيخ). في المستوى ثنائي الأبعاد، من الصعب رؤية كيفية ترتيب هذه الخلايا. ولكن في الواقع الافتراضي، استطاعوا رؤية أن هذه الخلايا الهرمة تشكل أحياءً محددة وتتفاعل مع الخلايا المناعية في فضاء ثلاثي الأبعاد، مما كشف عن أنماط قد تُفقد على الخريطة المسطحة.
• في الدماغ: قام الفريق بتصور ثمانية "سمات" مختلفة للشيخوخة في شريحة من أنسجة الدماغ. لقد أنشأوا "مخططاً مدبباً" (spike plot) ثلاثي الأبعاد حيث تنطلق الخطوط للأعلى أو للأسفل من كل نقطة خلية، مما يوضح مقدار وجود كل علامة شيخوخة. يساعد هذا في رؤية ما إذا كانت أنماط معينة من الشيخوخة تتجمع معاً في مناطق محددة.
• في الأمعاء: يجمع أحد المشاهد نوعين مختلفين من صور المجهر لإظهار كيف تلمس الخلايا المناعية (مثل خلايا T CD8) الأعصاب في الأمعاء فعلياً. ويقوم مشهد آخر بدمج مستويات مختلفة من التنظيم، حيث يظهر كيف تتجمع الخلايا الفردية في أحياء، والتي بدورها تتجمع في مجتمعات أكبر، مما يساعد الباحثين على فهم كيفية بناء الأنسجة من الأسفل إلى الأعلى.
• في الكبد: هنا، تنخفض الرؤية إلى المستوى تحت الخلوي. يمكن للباحثين رؤية الهياكل الصغيرة داخل خلايا الكبد، مثل الميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية، وهي تطفو في فضاء ثلاثي الأبعاد بجانب القناة الصفراوية والأوعية الدموية.

مقارنة "قوى العشرة" (Powers of Ten)

أحد أكثر المشاهد إثارة للذهن في التطبيق هو المقارنة المباشرة. فهو يضع شريحة من بيانات الأمعاء الدقيقة، وشريحة من بيانات العقدة الليمفاوية، ونموذجاً لعضو جلد بشري، ونموذجاً لبرج خليفة (أطول مبنى في العالم) جميعاً في نفس الغرفة. ولأن التطبيق يحترم المقياس الحقيقي للأشياء، يبدو المبنى صغيراً جداً مقارنة بجسم الإنسان، وتبدو بيانات العقدة الليمفاوية ضخمة مقارنة بشريحة الأمعاء. وهذا يساعد العلماء على استيعاب مدى ضخامة الاختلافات بين هذه الهياكل البيولوجية.

كيف بُني وماذا يعني

لم يبنِ الفريق هذا لمجرد التسلية؛ بل وضعوا مجموعة معيارية من القواعد ("إجراء تشغيل قياسي") حتى يتمكن العلماء الآخرون من إضافة بياناتهم بسهولة إلى المصعد. لقد استخدموا محرك ألعاب شهير يسمى "Unity" لبناء التطبيق، وهو متاح الآن مجاناً لأي شخص يمتلك سماعة Meta Quest للواقع الافتراضي.

ومع ذلك، يوضح المؤلفون بحذر ما لا يمثله هذا البرنامج. هم لا يدعون أن تطبيق الواقع الافتراضي هذا يحل محل الحاجة إلى التحليل الرياضي والحاسوبي التقليدي. بدلاً من ذلك، يقترحون أنه يعمل كـ "راصد" قوي. فهو يساعد الباحثين على رؤية الأنماط المثيرة للاهتمام وطرح أسئلة أفضل يمكنهم اختبارها لاحقاً باستخدام الرياضيات الصارمة. ويعترف البحث بأن الرؤى المعروضة هي في الغالب توضيحية ونوعية — فهي تظهر ما هو ممكن، لكنهم لم يجروا بعد اختبارات منضبطة لإثبات أن استخدام الواقع الافتراضي يجعل العلماء أسرع أو أكثر دقة مقارنة باستخدام الشاشة العادية.

هناك أيضاً بعض القيود. يعمل التطبيق حالياً بشكل أفضل على سماعات واقع افتراضي محددة، ويتطلب إنشاء هذه المشاهد فريقاً من الخبراء لتنظيف البيانات وبناء النماذج ثلاثية الأبعاد، وهو أمر قد يتطلب جهداً كبيراً. لكن البحث يشير إلى أنه مع سهولة استخدام هذه الأدوات، يمكن لهذا النوع من الاستكشاف الغامر أن يصبح جزءاً معيارياً من كيفية بناء خرائط جسم الإنسان، محولاً العالم المجهري غير المرئي إلى مكان يمكننا السير فيه واستكشافه بأعيننا.