T2 relaxometry for myelin water fraction: an ex vivo brain imaging study

يعد الدماغ البشري مشهداً شاسعاً ومعقداً من مليارات الخلايا، لكن جزءاً كبيراً من بنيته يعتمد على مادة دهنية تسمى الميالين. تعمل هذه المادة كغلاف واقٍ حول خطوط الاتصال في الدماغ، تماماً مثل الغطاء البلاستيكي المحيط بسلك كهربائي. عندما يكون هذا العزل سليماً، تنتقل الإشارات بسرعة وكفاءة؛ وعندما يتضرر، كما يحدث في حالات مثل التصلب المتعدد أو مرض الزهايمر، يختل التواصل. لعقود من الزمن، كافح العلماء لرؤية هذا الميالين مباشرة داخل جسم إنسان حي. وبينما يمكن للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أن يلتقط صوراً للدماغ، فإن المسوحات القياسية غالباً ما تجعل التفاصيل الدقيقة لهذا الغلاف الدهني ضبابية. وقد طور الباحثون تقنية خاصة تسمى "تصوير مياه الميالين" تحاول قياس الكمية الضئيلة من الماء المحتبس بين طبقات غلاف الميالين. ومن خلال عد هذا الماء المحدد، يمكنهم تقدير كمية الميالين الموجودة. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة معقدة وتتطلب معدات محددة للغاية، وغالباً ما يصعب الحصول عليها. وللتأكد من دقة هذه القياسات، يحتاج العلماء إلى اختبارها مقابل "المعيار الذهبي"، وهو فحص أنسجة الدماغ مباشرة بعد وفاة الشخص.

لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة مكغيل ومعهد دوغلاس للصحة العقلية حلاً لمشكلة عملية في هذا المجال. أرادوا معرفة ما إذا كان تسلسل رنين مغناطيسي متاح على نطاق واسع، يسمى "الصدى الدوراني التوربيني" (turbo spin echo)، يمكنه قياس الميالين بنفس جودة تسلسل أكثر تخصصاً وأسرع يسمى "الصدى المتدرج والتدويري" (gradient-and-spin-echo)، والذي لا يتوفر دائماً لكل مراكز الأبحاث. وللقيام بذلك، لم يقوموا بمسح أشخاص أحياء، بل عملوا مع أربعين نصف كرة من أدمغة بشرية تم حفظها في محلول الفورمالديهايد بعد الوفاة. جاءت هذه الأدمغة من أفراد يعانون من حالات عصبية متنوعة، بالإضافة إلى آخرين لا يعانون من أي اضطرابات معروفة. وضع الباحثون هذه الأدمغة المحفوظة في جهاز رنين مغناطيسي قوي وأجروا نوعين مختلفين من المسوحات على كل منها. استخدم أحد المسوحات طريقة "الصدى المتدرج والتدويري" المتخصصة، والتي تستغرق حوالي سبع دقائق وتلتقط سلسلة طويلة من الإشارات. واستخدم الآخر طريقة "الصدى الدوراني التوربيني" الأكثر شيوعاً، والتي تستغخذ حوالي عشر دقائق وتلتقط سلسلة أقصر من الإشارات. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان المسح الأقصر والأكثر شيوعاً يمكن أن ينتج نتائج تطابق المسح المتخصص، وما إذا كان المسح المتخصص يحتاج حقاً إلى كل هذا الوقت الطويل في الأصل.

تحقق الباحثون أولاً مما إذا كان بإمكانهم تقصير المسح المتخصص دون فقدان معلومات مهمة. لقد أخذوا البيانات الكاملة من المسح المتخصص، والتي تضمنت اثنين وثلاثين قياساً مختلفاً للإشارة، وأعادوا إنشاء الخريطة رياضياً باستخدام أول أربعة عشر قياساً فقط. ووجدوا أن النت actually كانت متطابقة تقريباً؛ حيث بدت خرائط مياه الميالين متشابهة، وكانت الأرقام غير قابلة للتمييز تقريباً. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة لأنسجة الدماغ المحفوظة، فإن المسح الطويل جداً ليس ضرورياً بالضرورة؛ إذ يمكن لنسخة أقصر أن توفر نفس المعلومات الجوهرية. ويعد هذا اكتشافاً هاماً لأنه يعني أن الباحثين يمكنهم تقنياً توفير الوقت أو استخدام هذا الوقت الموفر لتحسين أجزاء أخرى من المسح.

بعد ذلك، قارن الفريق بين نتائج المسح المتخصص ونتائج مسح "الصدى الدوراني التوربيني" الشائع. ووجدوا أن كلا الطريقتين أنتجتا خرائط تبدو متشابهة جداً في أنماطها العامة. فالمناطق ذات محتوى الميالين العالي ظهرت مرتفعة في كلا المسحين، والمناطق ذات محتوى الميالين المنخفض ظهرت منخفضة في كليهما. ومع ذلك، لم تكن الأرقام متطابقة تماماً؛ فقد سجل المسح المتخصص باستمرار كميات أعلى من مياه الميالين مقارنة بالمسح الشائع. في الواقع، مال المسح الشائع إلى تسجيل كمية أقل من مياه الميالين وكمية أكبر من الماء الموجود في الفراغات بين الخلايا. وأدرك الباحثون أن الجهازين لم يكونا يقيسان أشياء مختلفة فحسب، بل كانا يصنفان نفس الإشارة إلى فئات مختلفة بطرق متباينة قليلاً. فالجهاز المتخصص كان أفضل في فصل الكمية الضئيلة من الماء المحتبس في الميالين عن الماء المحيط به، بينما كان الجهاز الشائع أقل دقة في هذا الفصل.

على الرغم من هذه الاختلافات في الأرقام الدقيقة، إلا أن الطريقتين كانتا مرتبطتين بقوة. فقد وجد الباحثون أنه إذا عرفوا نتيجة المسح الشائع، فيمكنهم استخدام نموذج حاسوبي للتنبؤ بما كان سيجده المسح المتخصص بدقة عالية. لقد بنوا نموذجاً ينظر إلى النمط الكامل للإشارات من المسح الشائع، وليس فقط رقم الميالين، واستخدم ذلك لتقدير النتيجة المتخصصة. وقد عمل هذا النموذج بشكل جيد جداً، حيث نجح في إعادة إنشاء الخرائط التفصيلية للمسح المتخصص باستخدام بيانات المسح الشائع فقط. وهذا يعني أنه حتى لو أعطت الماكينتان أرقاماً خام مختلفة، فإن المعلومات التي تحتويهما مرتبطة بعمق. ويمكن للباحث الذي يستخدم الماكينة الشائعة أن يحصل أيضاً على صورة جيدة جداً لصحة الميالين، بشرما استخدم الأدوات الرياضية الصحيحة لترجمة النتائج.

كما بحثت الدراسة في كيفية تأثير الوقت الذي قضته الأدمغة في السائل الحافظ على القياسات. ووجدوا أنه كلما زاد وقت بقاء الدماغ في السائل، تغيرت القياسات بشكل أكبر. أظهر كلا أسلوبي المسح زيادة في مياه الميالين المحسوبة مع طول فترة الحفظ. هذا لا يعني أن الدماغ كان يكتسب ميالين؛ بل إن التغيرات الكيميائية الناتجة عن المادة الحافظة كانت تغير كيفية سلوك الماء، مما يجعله يبدو وكأن هناك المزيد من مياه الميالين مما هو موجود بالفعل. كان المسح المتخصص أكثر حساسية قليلاً لهذا التغيير من المسح الشائع، لكن كلاهما أظهر نفس الاتجاه. وهذا يسلط الضوء على أن الوقت منذ الوفاة والوقت في المادة الحافظة هي عوامل حاسمة يجب مراعاتها عند دراسة الأدمغة المحفوظة، حيث يمكنها تغيير الأرقام بطريقة يمكن التنبؤ بها.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل مساراً واضحاً لدراسة عزل الدماغ بعد الوفاة. فهو يوضح أن المسح المتخصص، الذي يصعب الحصول عليه، ليس هو الطريقة الوحيدة للحصول على نظرة جيدة للميالين. فالمسح الأكثر شيوعاً وتوافراً يمكنه التقاط الأنماط الأساسية، وبمساعدة النماذج الحاسوبية الحديثة، يمكن ترجمته ليتطابق مع النتائج المتخصصة. وخلص الباحثون إلى أنه على الرغم من أن الطريقتين لا يمكن استبدالهما ببعضهما البعض دون تعديل، إلا أنهما مرتبطان بعمق. فالمسح الشائع يحمل المفتاح للمسح المتخصص، مما يسمح للعلماء باستخدام معدات أكثر سهولة في الوصول إليها لدراسة بنية الدماغ بمستوى من التفصيل كان يُعتقد سابقاً أنه يتطلب أدوات نادرة وباهظة الثمن. وهذا يفتح الباب أمام المزيد من المختبرات للمساهمة في فهمنا لأمراض الدماغ، باستخدام بيانات متسقة وقابلة للمقارنة عبر الدراسات المختلفة.