Pupil size and pupil change correlate with distinct cortical neurochemical systems across the adult lifespan

إن بؤبؤ العين البشري يفعل ما هو أكثر بكثير من مجرد التكيف مع سطوع الغرفة. فبينما يتقلص في الضوء الشديد ويتسع في الظلام لتنظيم الرؤية، فإنه يستجيب أيضاً للحالة الداخلية للعقل. فعندما يشعر الشخص بالمفاجأة، أو التركيز، أو الانخراط الذهني، غالباً ما تتسع حدقة عينيه، حتى لو ظل الضوء ثابتاً. ولعقود من الزمن، اشتبه العلماء في أن هذه التغيرات العفوية هي نافذة على "النواة الزرقاء" (locus coeruleus) في الدماغ، وهي مجموعة صغيرة من الخلايا العصبية العميقة التي تعمل كمصدر رئيسي للنورإبينفرين في الدماغ، وهو ناقل كيميائي حيوي لليقظة والانتباه. ونظراً لصعوبة تصوير هذه المنطقة من الدماغ بشكل مباشر، فقد أمل الباحثون طويلاً أن يكون قياس البؤبؤ بمثابة وسيط موثوق وغير جراحي لنشاطها. ومع ذلك، فمع تقدم الإنسان في السن، تتغير بيولوجيا الدماغ، وظلت موثوقية هذا الارتباط غير واضحة. فإذا كان الرابط بين البؤبؤ ونظام اليقظة في الدماغ يضعف أو يتغير مع تقدم العمر، فإن استخدام قياسات البؤبؤ لدراسة الدماغ الهرم قد يؤدي إلى استنتاجات مضللة.

ولاستقصاء ذلك، جمع فريق من الباحثين في جامعة كورنيل 89 بالغاً تتراوح أعمارهم بين 19 و78 عاماً لأداء مهمة بصرية داخل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي. شاهد المشاركون شاشة تظهر فيها دوائر بأحجام وسطوع مختلفين في فترات عشوائية. كانت معظم الدوائر عادية، ولكن أحياناً تظهر دائرة أكبر، تُعرف باسم "الهدف الغريب" (oddball)، مما يستدعي من المشارك الضغط على زر. سجل الباحثون حجم بؤبؤ العين باستمرار وبسرعة عالية جداً، وقاموا في الوقت نفسه بمسح أدمغتهم لقياس تدفق الدم، والذي يعمل كوسيط للنشاط العصبي. وكان اهتمامهم ينصب بشكل خاص على ما إذا كان حجم البؤبؤ وسرعة تغيره مرتبطان بالنشاط في النظام النورأدريناليني في الدماغ، وما إذا كانت هذه الروابط تظل ثابتة عبر كامل عمر البالغين.

وكشفت الدراسة أن سلوك البؤبؤ ليس إشارة واحدة موحدة، بل يحمل نوعين متميزين من المعلومات يعملان وفق جداول زمنية مختلفة ويتصلان بأجزاء مختلفة من الدماغ. فقد وجد الباحثون أن الحجم الفعلي للبؤبؤ في أي لحظة معينة يرتبط بنمط محدد من نشاط الدماغ، بينما يرتبط التغير السريع في حجم البؤبؤ — أي مدى سرعة توسعه أو انكماشه — بنمط مختلف تماماً من نشاط الدماغ. هاتان الإشارتان لا تحدثان في نفس الوقت فحسب؛ بل ترتبطان بأنظمة كيميائية مختلفة داخل الدماغ. فقد ارتبطت التغيرات السريعة في حجم البؤبؤ ارتباطاً قوياً بمناطق الدماغ الغنية بـ "ناقل النورإبينفرين"، وهو البروتين الذي يدير كيمياء اليقظة في الدماغ. وهذا يؤكد أنه عندما يتسع البؤبؤ أو يضيق فجأة، فإنه يتتبع بالفعل نشاط نظام اليقظة في الدماغ. وفي المقابل، ارتبط الحجم المستقر للبؤبؤ بمناطق الدماغ الكثيفة بمستقبلات الأفيون والكانابينويد، مما يشير إلى أن الحجم الأساسي للبؤبؤ يعكس حالة كيميائية مختلفة وأبطأ تأثيراً، ربما تتعلق بتنظيم الألم أو الحالة المزاجية، بدلاً من اليقظة الفورية.

ومن الأهمية بمكان أن الدراسة فحصت كيف تصمد هذه الروابط مع تقدم الناس في السن. ووجد الباحثون أن العلاقة بين التغيرات السريعة في البؤبؤ ونظام اليقظة في الدماغ تظل ذات دلالة طوال الحياة، لكنها تضعف قليلاً لدى كبار السن. وتحديداً، انخفض عدد مناطق الدماغ التي أظهرت ارتباطاً قوياً بتغيرات البؤبؤ لدى المشاركين الأكبر سناً، كما كانت قوة الاتصال بنظام النورإبينفرين أقل لدى كبار السن مقارنة بالشباب. ومع ذلك، فإن الرابط بين الحجم المستقر للبؤبؤ والمناطق الدماغية المرتبطة بالأفيونات لم يتغير مع تقدم العمر على الإطلاق؛ فقد ظل قوياً لدى شخص في السبعين من عمره تماماً كما هو لدى شخص في العشرين. وهذا التمييز حيوي لأنه يشير إلى أنه بينما قد يصبح نظام اليقضاء في الدماغ أقل تزامناً مع حركات البؤبؤ مع تقدمنا في السن، فإن الجوانب الأخرى لكيمياء الدماغ التي يعكسها البؤبؤ تظل مستقرة.

كما نظر الباحثون مباشرة في منطقة الدماغ المسؤولة عن اليقظة، وهي النواة الزرقاء، لكنهم وجدوا أن الإشارة من هذا الهيكل الصغير كانت ضعيفة جداً بحيث لا يمكن قياسها بشكل موثوق لدى المشاركين الأفراد باستخدام تقنيات المسح القياسية. وبدلاً من الاستسلام، رسموا خريطة لتأثير البؤبؤ عبر الدماغ بأكمله. واكتشفوا أن التغيرات السريعة في حجم البؤبؤ كانت مرتبطة بقوة بشبكة واسعة من مناطق الدماغ المعنية بالانتباه والمعالجة الحسية، تمتد من الجزء الخلفي للدماغ إلى جذع الدماغ. وهذا النمط الواسع النطاق، وليس إشارة نقطية واحدة، هو ما يبدو أن البؤبؤ يتتبعه. كما استبعدت الدراسة فكرة أن هذه الروابط بين الدماغ والبؤبؤ كانت ناتجة ببساطة عن تغيرات في معدل ضربات القلب أو التنفس، حيث قام الباحثون بعناية بإزالة تلك العوامل من بياناتهم وظلت الأنماط قائمة.

في نهاية المطاف، توضح هذه الدراسة أن البؤبؤ أداة معقدة تروي قصتين مختلفتين. القصة الأولى تتعلق بسرعة التغيير، والتي تتتبع نظام اليقظة في الدماغ وتظهر تراجعاً طفيفاً في تنسيقها مع تقدم العمر. والقصة الأخرى تتعلق بالحالة المستقرة، والتي تتتبع نظاماً كيميائياً مختلفاً وتظل ثابتة طوال الحياة. وهذا يعني أنه إذا أراد العلماء استخدام قياسات البؤبؤ لفهم الدماغ الهرم، فعليهم توخي الحذر للتمييز بين حجم البؤبؤ وسرعة تغيره. ومن خلال فصل هاتين الإشارتين، يمكن للباحثين فهم الأجزاء التي تشيخ من الدماغ وتلك التي تبقى كما هي بشكل أفضل، مما يوفر طريقة أكثر دقة لمراقبة صحة الدماغ دون إجراءات جراحية. وتشير النتائج إلى أنه بينما قد تبطئ آلات اليقظة في الدماغ تنسيقها مع العين مع تقدمنا في السن، فإن المشهد الكيميائي الأساسي للدماغ يظل متاحاً من خلال هذه التحولات الطفيفة والقابلة للقياس في البؤبؤ.