يتيح اختراق الليزر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للعلماء مشاهدة دخول الأدوية إلى الدماغ في الوقت الفعلي

مع وجد الباحثون أن ضوء الليزر الفوضوي يمكن أن يتحول إلى شعاع دقيق ومستقر. يتيح هذا الإنجاز تصويرًا أسرع بكثير وعالي الدقة لكيفية انتقال الأدوية إلى الدماغ.

حدد الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) تأثيرًا غير متوقع في الفيزياء البصرية يمكن أن يؤدي إلى نوع جديد من تكنولوجيا التصوير الحيوي بسرعة أعلى ودقة وضوح عالية. في ظل ظروف محددة، يمكن لشعاع غير منتظم من ضوء الليزر أن يعيد تنظيم نفسه ليتحول إلى “شعاع قلم رصاص” ضيق ومركّز بشكل حاد.

وباستخدام هذا التأثير، التقط الفريق صورًا ثلاثية الأبعاد للحاجز الدموي الدماغي البشري بمعدل أسرع بحوالي 25 مرة من النهج القياسي الذهبي الحالي، مع الحفاظ على جودة صورة مماثلة. تسمح هذه الطريقة أيضًا للعلماء بمراقبة الخلايا الفردية التي تتناول الأدوية في الوقت الفعلي. يمكن أن تساعد هذه الإمكانية الباحثين في تحديد ما إذا كانت علاجات الأمراض التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر أو يصل مرض التصلب الجانبي الضموري (ALS) إلى الدماغ بنجاح.

يقول سيكسيان يو، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وعضو في مختبر أبحاث الإلكترونيات، ومؤلف رئيسي لورقة بحثية حول تقنية التصوير هذه: “الاعتقاد السائد في هذا المجال هو أنه إذا قمت بزيادة الطاقة في هذا النوع من الليزر، فسيصبح الضوء فوضويًا حتمًا. لكننا أثبتنا أن هذا ليس هو الحال. لقد اتبعنا الأدلة، واحتضننا عدم اليقين، ووجدنا طريقة للسماح للضوء بتنظيم نفسه في حل جديد للتصوير الحيوي”.

انضم إليها في الورقة المؤلف الرئيسي هونغهاو كاو، وهو طالب دراسات عليا في الجماعة الاقتصادية الأوروبية. طلاب الدراسات العليا في EECS لي يو يو وكونزان ليو؛ وباحثو ما بعد الدكتوراه سارة سبيتز، وفرانشيسكا ميشيلا براموتون، وفيديريكو بريسوتي؛ دكتوراه تشنغيو تشانغ ’24؛ سوبهاش كولكارني، أستاذ مساعد في جامعة هارفارد ومركز بيث إسرائيل ديكونيس الطبي؛ وروجر كام، أستاذ سيسيل وإيدا جرين المتميز في الهندسة البيولوجية والميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تم نشر المقال في 27 أبريل طرق الطبيعة.

سلوك الليزر غير المتوقع يتحدى الافتراضات

بدأ الاكتشاف بملاحظة حيرت الفريق في البداية.

وكان الباحثون قد طوروا في السابق أداة تشكيل ألياف دقيقة، مما يسمح لهم بالتحكم الدقيق في كيفية انتقال ضوء الليزر عبر الألياف الضوئية متعددة الأوضاع. يمكن لهذا النوع من الألياف التعامل مع مستويات عالية من الطاقة.

قام تساو بزيادة قوة الليزر خطوة بخطوة لاختبار مدى قدرة الألياف على الصمود.

عادة، تؤدي الطاقة الأعلى إلى المزيد من التشتت بسبب العيوب الموجودة داخل الألياف، مما يتسبب في اضطراب الشعاع بشكل متزايد. بدلاً من ذلك، مع اقتراب الطاقة من النقطة التي قد تتضرر فيها الألياف، تركز الضوء فجأة في شعاع واحد حاد للغاية.

يقول يو: “إن الفوضى متأصلة في هذه الألياف. إن هندسة الضوء التي تحتاج عادةً إلى القيام بها للتغلب على هذا الاضطراب، خاصة عند الطاقة العالية، هي مشكلة طويلة الأمد. ولكن مع هذا التنظيم الذاتي، يمكنك الحصول على شعاع قلم رصاص مستقر وفائق السرعة دون الحاجة إلى مكونات مخصصة لتشكيل الشعاع”.

الشروط الأساسية للضوء التنظيم الذاتي

ولإعادة إنتاج هذا التأثير، حدد الباحثون متطلبين مهمين.

أولاً، يجب أن يدخل الليزر إلى الألياف بزاوية صفر درجة، وهي أكثر دقة من الإعدادات النموذجية. ثانيًا، يجب زيادة الطاقة إلى مستوى يبدأ فيه الضوء بالتفاعل مباشرة مع زجاج الألياف.

يشرح كاو: “في هذه القوة الحرجة، يمكن لللاخطية مواجهة الاضطراب الجوهري، مما يخلق توازنًا يحول شعاع الإدخال إلى شعاع قلم رصاص منظم ذاتيًا”.

لا يتم استكشاف هذه الشروط عادة. غالبًا ما يتجنب الباحثون مستويات الطاقة العالية لمنع تلف الألياف، وعادةً ما تكون مثل هذه المحاذاة الدقيقة غير ضرورية نظرًا لأن الألياف متعددة الأوضاع تحمل بالفعل كميات كبيرة من الطاقة.

ومع ذلك، عند دمج هذه العوامل، فإنها تسمح للنظام بإنتاج شعاع ثابت دون تعديلات بصرية معقدة.

يقول يو: “هذا هو سحر هذه الطريقة، حيث يمكنك القيام بذلك باستخدام إعداد بصري عادي، ومن دون خبرة كبيرة في هذا المجال”.

يعمل الشعاع الأنظف على تحسين جودة الصورة

وأظهرت الاختبارات الإضافية أن شعاع القلم الرصاص مستقر وقادر على الحصول على دقة عالية مقارنة بالحزم المماثلة. تنتج العديد من الحزم التقليدية “فصوص جانبية” – هالات غير واضحة يمكن أن تتداخل مع وضوح الصورة.

وفي المقابل، يظل هذا الشعاع نظيفًا ومركَّزًا بإحكام.

ثم قام الباحثون بتطبيقه على التصوير الطبي الحيوي للحاجز الدموي الدماغي البشري.

تصوير ثلاثي الأبعاد أسرع للحاجز الدموي الدماغي

الحاجز الدموي الدماغي عبارة عن طبقة كثيفة من الخلايا تحمي الدماغ من المواد الضارة بينما تمنع أيضًا العديد من الأدوية. غالبًا ما يرغب العلماء في تتبع كيفية تحرك الأدوية عبر هذا الحاجز وما إذا كانت تصل إلى أهدافها في أنسجة المخ.

يوضح يو أنه باستخدام التقنيات البصرية التقليدية، يلتقط الباحثون عادةً شريحة ثنائية الأبعاد واحدة في كل مرة، ويكررون العملية عدة مرات لبناء صورة كاملة.

وباستخدام النهج الجديد، أنشأ الفريق صورًا فائقة السرعة وعالية الدقة مع تتبع كيفية امتصاص الخلايا للبروتينات في الوقت الفعلي.

يقول كام: “إن صناعة الأدوية مهتمة بشكل خاص باستخدام النماذج البشرية لفحص الأدوية التي تعبر الحاجز بشكل فعال، حيث تفشل النماذج الحيوانية غالبًا في التنبؤ بما يحدث عند البشر. إن كون هذه الطريقة الجديدة لا تتطلب أن تحتوي الخلايا على علامة فلورسنت هو أمر يغير قواعد اللعبة. ولأول مرة، يمكننا الآن تصور دخول الأدوية إلى الدماغ المعتمد على الوقت، وحتى تحديد المعدل الذي تستوعب فيه أنواع معينة من الخلايا الدواء”.

ويضيف سبيتز: “لكن الأهم من ذلك هو أن هذا النهج لا يقتصر على الحاجز الدموي الدماغي، بل يتيح تتبعًا محددًا زمنيًا للمركبات المتنوعة والأهداف الجزيئية عبر نماذج الأنسجة الهندسية، مما يوفر أداة قوية للهندسة البيولوجية”.

أنتج الباحثون صورًا ثلاثية الأبعاد على المستوى الخلوي بجودة أعلى من الطرق الأخرى وحققوا سرعات أسرع بحوالي 25 مرة.

يقول يو: “عادةً، يكون لديك مقايضة بين دقة الصورة وعمق التركيز، فلا يمكنك التحقق إلا لمسافة بعيدة في كل مرة. ولكن باستخدام طريقتنا، يمكننا التغلب على هذه المقايضة من خلال إنشاء شعاع قلم رصاص بدقة عالية وعمق كبير للتركيز”.

البحوث والتطبيقات المستقبلية

ويخطط الفريق لمزيد من التحقيق في الفيزياء الأساسية وراء هذا الشعاع ذاتي التنظيم وفهم كيفية تشكله بشكل أفضل. ويهدفون أيضًا إلى تطبيق هذه التقنية على استخدامات أخرى، مثل تصوير الخلايا العصبية في الدماغ، واستكشاف فرص التسويق.

المرجع: “شعاع القلم الرصاص فائق السرعة المترجم ذاتيًا للتصوير الحجمي متعدد الفوتون” بقلم هونغهاو كاو، وسارة سبيتز، ولي يو يو، وكونزان ليو، وزينجيو تشانغ، وفيديريكو بريسوتي، وفرانشيسكا ميشيلا براموتون، وسوبهاش كولكارني، وروجر د. كام، وسيكسيان يو، 27 أبريل 2026، طرق الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41592-026-03067-0

تم تمويل هذا العمل، جزئيًا، من خلال أموال الشركات الناشئة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF)، ومؤسسة مجتمع وادي السيليكون، ومؤسسة دياكومب، ومركز أمراض الجهاز الهضمي بجامعة هارفارد، وزمالة MathWorks، وجائزة كلود إي شانون.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.