In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

يُعد الضوء أداة مذهلة للنظر داخل جسم الإنسان دون إجراء جرح واحد. فعندما يوجه الأطباء شعاعًا من الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء عبر إصبع أو ثدي، فإن هذا الضوء لا يسير في خط مستقيم؛ بل يرتد عن الخلايا والجزيئات، ويتشتت في مسار عشوائي فوضوي قبل أن يخرج من الجانب الآخر. ومن خلال قياس المدة التي تستغرقها تلك الفوتونات المشتتة للوصول بدقة، يمكن للعلماء حساب سمك الأنسجة ومدى امتصاصها، مما يكشف عن تفاصيل تدفق الدم ومستويات الأكسجين. وقد اعتمدت هذه التقنية، المعروفة باسم "مطيافية الضوء المنتشر في النطاق الزمني"، لفترة طويلة على إطلاق نبضات ليزر فائقة السرعة وقصيرة جدًا لتعمل بمثقة توقيت. إن توقيت بداية النبضة ووصول الفوتونات هو ما يروي القصة. ومع ذلك، فإن أجهزة الليزر هذه معقدة ومكلفة، ويمكن أن تكون ساطعة للغاية بالنسبة للعينات البيولوجية الحساسة، مما قد يتسبب في تلفها إذا استُخدمت لفترة طويلة.

وقد أظهر فريق من الباحثين في جامعة بوليتكنيكو دي ميلانو وجامعة غلاسكو الآن طريقة مختلفة جوهريًا لإجراء هذه التجربة. فقد استبدلوا ليزر النبض القوي بشعاع ضوئي مستمر وثابت، واستبدلوا ساعة التوقيت التقليدية بحيلة من فيزياء الكم. فبدلاً من توقيت نبضة واحدة، استخدموا أزواجًا من الجسيمات الضوئية التي تولد معًا وتظل مرتبطة ببعضها بشكل غامض، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بينهما. حيث يتم إرسال أحد جزيئات الزوج عبر الأنسجة، بينما يتم التقاط توأمه بواسطة كاشف للإشارة إلى اللحظة الدقيقة التي بدأت فيها الرحلة. وتسمح هذه الطريقة، التي يسميها الباحثون "مطيافية الضوء المنتشر الكمومية"، برسم مسار الضوء عبر الأنسجة بدقة متناهية، حتى عند استخدام ضوء خافت جدًا وكواشف بسيطة مليئة بالضجيج.

بدأ الباحثون باختبار نظامهم الجديد على كتل من المواد المصممة لمحاكاة الطريقة التي تشتت بها الأنسجة البشرية الضوء. هذه الكتل، المصنوعة من مادة تشبه السيليكون ممزوجة بمسحوق أبيض لتشتيت الضوء وحبر أسود لامتصاصه، قُطعت إلى ألواح بسماكات متفاوتة. وقاسوا كيفية انتقال الضوء عبر هذه الكتل باستخدام إعدادهم الكمومي وقارنوا النتائج بنظام ليزر نبضي عالي الجثافة. وقد أنتجت الطريقة الكمومية خرائط تفصيلية لزمن انتقال الضوء مطابقة لنظام الليزر التقليدي، حيث حسبت بدقة مقدار ما امتصته المادة وما شتتته من ضوء. وأثبت ذلك أن الارتباطات الزمنية بين أزواج الفوتونات المرتبطة يمكن أن تعمل كبديل مثالي لنبضات الليزر، مما يوفر المرجع اللازم لإعادة بناء رحلة الضوء عبر وسط مشتت.

ولرؤية ما إذا كان هذا النهج يمكنه التعامل مع الواقع الفوضوي، أدخل الفريق قدرًا كبيرًا من الضجيج الخلفي. فقد استبدلوا كاشفهم عالي الجودة بآخر سيليكوني ضوئي (silicon photomultiplier) أرخص بكثير وأكثر ضجيجًا، وسلطوا ضوءًا ساطعًا غير مترابط في الغرفة لمحاكاة بيئة صاخبة. في الإعداد التقليدي، كان هذا الضوء الخلفي سيطغى على الإشارة الضعيفة القادمة من الأنسجة. ومع ذلك، نظرًا لأن النظام الكمومي لا يحصي إلا الفوتونات التي تصل في تزامن تام مع شركائها التوائم، فقد نجح في تصفية الضجيج. استطاع النظام التمييز بين الإشارة الحقيقية والفوضى، واستعادة القياسات الدقيقة لخصائص الأنسجة حتى عندما كان الضجيج الخلفي أقوى بآلاف المرات من الإشارة. وهذه القدرة على العثور على إبرة في كومة قش دون الحاجة إلى كاشف مثالي تشير إلى إمكانية جعل هذه التكنولوجيا ميسورة التكلفة ومحمولة.

انتقل الباحثون بعد ذلك من الكتل البلاستيكية إلى السوائل البيولوجية. فقد صنعوا مخاليط من دم الحيوان وسائل مشتت حليبي لمحاكاة البيئة المعقدة داخل جسم الإنسان. ومن خلال تغيير كمية الدم في الخليط، أظهروا قدرة النظام على اكتشاف التغيرات في مقدار امتصاص الضوء. والأهم من ذلك، أثبتوا الحساسية تجاه الأكسجين؛ فعندما أزالوا الأكسجين من الدم، رصد النظام تحولًا في الامتصاص، متتبعًا التغيير مع تحول الدم إلى حالة نقص الأكسجين. ويُعد هذا الأمر أمرًا بالغ الأهمية لأن القدرة على التمييز بين الدم الغني بالأكسجين والدم الفقير بالأكسجين هي أساس تصوير الدماغ الوظيفي وكشف الأورام. وقد تتبع النظام الكمومي هذه التغيات بوضوح، حتى عندما أُجريت القياسات في ثانية واحدة فقط، مما أثبت قدرته على رصد التحولات البيولوجية السريعة.

أخيرًا، نقل الفريق التجربة إلى البشر. فقد وضعوا كفة قياس ضغط الدم على ذراع متطوع وقاسوا الضوء المار عبر الإصبع الصغير. وبينما تم نفخ الكفة لوقف تدفق الدم، راقب الباحثون تغير امتصاص الضوء في الوقت الفعلي. وأظهرت البيانات زيادة مستمرة في الامتصاص مع نقص الأكسجين في الدم أثناء الانسداد، تلتها انخفاض سريع بمجرد تحرير الكفة وعودة تدفق الدم الطازج. إن هذا التتبع الديناميكي لتدفق الدم والأكسجة في شخص حي أكد أن الطريقة الكمومية تعمل على أنسجة حقيقية ومتحركة. وهذه هي المرة الأولى التي تُجرى فيها مثل هذه القياسات على البشر باستخدام ضوء ناتج عن مصدر مستمر وأزواج فوتونات مرتبطة.

لا يدعي هذا العمل أنه أداة طبية جاهزة للاستخدام في المستشفيات غدًا. فالقياسات كانت بمثابة إثبات للمفهوم، تظهر أن الفيزياء تعمل وأن البيانات موثوقة. ويشير الباحثون إلى أن نظامهم ليس بالضرورة أكثر حساسية من أفضل أجهزة الليزر الموجودة حاليًا، لكنه يقدم مسارًا جديدًا تمامًا للمضي قدمًا. فمن خلال استخدام الضوء المستمر والارتباطات الكمومية، أظهروا أن المطيافية في النطاق الزمني يمكن أن تتم دون الحاجة إلى أجهزة ليزر نبضية معقدة وباهظة الثمن. وهذا يفتح الباب لاستخدام مصادر ضوئية أبسط وأرخص وأكثر أمانًا للتصوير الطبي، مما قد يسمح بالمراقبة طويلة الأمد للمرضى أو الأنسجة الرقيقة التي لا تتحمل شدة الليزرات التقليدية. إن هذه الدراسة تؤسس لكون الضوء الكمومي موردًا قابلًا للاستخدام لرؤية ما بداخل جسم الإنسان، محولةً إياه من مجرد فضول نظري إلى طريقة عملية جديدة لقياس الحياة.