مجهر ثنائي الفوتون واسع الحقل وعميق ومتكيّف للتصوير العصبي متعدد المقاييس

رؤية الدماغ بطريقة جديدة

فهم كيفية عمل الدماغ يتطلب مراقبة أعداد هائلة من الخلايا العصبية وهي تتواصل عبر مناطق عديدة في وقت واحد، وليس الاكتفاء بالتكبير على بقعة صغيرة فقط. حتى الآن، كانت مجاهر الدماغ تجبر العلماء على الاختيار بين رؤية مساحة واسعة أو التعمق تحت السطح بدقة عالية. يقدم هذا البحث مجهرًا جديدًا يُدعى ULTRA يكسر إلى حد كبير هذا التنازُع، إذ يسمح للباحثين بمراقبة عشرات الآلاف من الخلايا العصبية وهي تُنبِض عبر مساحات واسعة من قشرة فأر، وتصل إلى طبقات أعمق، كل ذلك في تجربة واحدة.

لماذا تقصر المجاهر العادية للدماغ

تُعَد مجاهر الثنائي الفوتون العماد العملاني لتصوير الدماغ الحديث لأنها قادرة على رؤية النشاط داخل الأنسجة الحية بعمق وبتفاصيل حادة. ومع ذلك، فإن معظمها يمكنه عرض نحو مليمتر واحد فقط في آن واحد، وتضعف أداؤه كلما حاول التعمق أو توسعة المجال. تنص قواعد البصريات الأساسية على أنه إذا جعلت مجال الرؤية واسعًا جدًا، فعادةً ما تضطر للتخلي عن الدقة أو عن قدرة جمع الضوء. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتعامل العدسات الزجاجية مع نطاق واسع من الأطوال الموجية دون تشويش، وكل قطعة عدسة مضافة قد تُضعِف الصورة أو تُشوِّهها. ونتيجة لذلك، فإن العديد من أنظمة العرض الواسعة الحالية معقَّدة ومكلفة، وتظل تواجه صعوبات في الجمع بين مساحة كبيرة جدًا وعمق ووضوح على مستوى الخلية المفردة.

مجهر جديد مصمم للقياس الكبير

يتناول نظام ULTRA هذه القيود من خلال إعادة تصميم شاملة لمسار البصريات. أنشأ المؤلفون عدسة غاطسة في الماء مخصصة يمكنها عرض دائرة بعرض 8 مليمترات من سطح الدماغ—أكثر من 50 مليمترًا مربعًا—مع الإبقاء على قدرة تمييز الخلايا الفردية والوصول إلى عمق يقارب المليمتر. بدلاً من معالجة العدسة الموضوعية والعدسات التالية بشكل منفصل، قاموا بتحسينها معًا للحفاظ على ضبابية وأخطاء الألوان صغيرة جدًا عبر كامل الحقل. تساعد أنواع زجاج خاصة ومجموعات عدسات مرتبة بعناية على تسطيح الصورة والحفاظ على التركيز حادًا من المركز إلى الحافة. كما يتيح حامل رأس مخصص محاذاة جمجمة الفأر بحيث تقع العديد من المناطق القشرية على عمق شبه متساوٍ، مما يجعل من العملي مسح مناطق واسعة في تمريرة واحدة.

رؤى أوضح بفضل بصريات ذكية وكاشفات أفضل

يتجاوز ULTRA مسألة العدسات المبتكرة فحسب. إذ يضيف مرآة متكيفة يمكنها إعادة تشكيل واجهة موجة الليزر الواردة بدقة في الزمن الحقيقي لإلغاء التشويهات التي تزداد نحو حواف الحقل الواسع جدًا. تتيح هذه التصحيحات للنظام تمييز هياكل دقيقة مثل أشواك التغصن على بعد عدة مليمترات من المركز. وعلى جانب الكشف، بنى الفريق أنابيب مضاعفة ضوئية ذات مساحة كبيرة ومخرجات عالية تجمع عددًا أكبر بكثير من فوتونات الضوء الخافتة العائدة من الأنسجة العميقة. تستطيع هذه الكاشفات التعامل مع الإشارات القوية والضعيفة دون تشبُّع، مما يحسّن نسبة الإشارة إلى الضوضاء خصوصًا في الأعماق ويُمكّن المسح السريع دون التضحية بجودة البيانات.

مراقبة شبكات دماغية واسعة أثناء العمل

لإظهار ما يمكن لـ ULTRA فعله في حيوانات حية، صور الباحثون مجموعة من البنى والأنشطة الدماغية في فئران. التقطوا صورًا حادة للخلايا العصبية المانعة، والتغصنات الدقيقة، والأشواك عبر نافذة جمجمة واسعة، وتتبعوا نفس الشوكة الصغيرة لأيام، مُظهرين الاستقرار. كما رسموا أوعية دموية في أربع مناطق قشرية بعيدة في آن واحد وقاسوا أقطارها وأطوالها وتباعدها وكثافتها. والأكثر لفتًا للانتباه، سجّلوا إشارات الكالسيوم—مؤشرًا لنشاط الخلايا العصبية—من العديد من آلاف الخلايا العصبية الموزعة على مسافات 6–7 مليمترات، سواء قرب السطح أو في طبقات أعمق على عمق نحو نصف مليمتر. وأثناء الحركة، تمكنوا من رؤية كيف تقوى الاتصالات بين المناطق الدماغية وتنتشر، كاشفين كيف تغيّر الحركة شبكات قشرية واسعة النطاق في الزمن الحقيقي.

ما الذي يعنيه هذا لبحوث الدماغ

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن ULTRA يحول ما كان منظراً ضيقًا كفتحة المفتاح للدماغ إلى شيء أقرب إلى نافذة بانورامية، دون فقدان القدرة على رؤية الخلايا المفردة والفروع الدقيقة. يمكنه تصوير رقعة هائلة من القشرة، والوصول إلى أنسجة أعمق، وتتبع تغيُّرات النشاط أثناء السلوك، وكل ذلك بوضوح عالٍ. على الرغم من أنه لا يزال هناك مجال لتحسين جوانب مثل الدقة العمودية ومسافة العمل للحيوانات الأكبر حجمًا، فإن هذا النظام يتجاوز بالفعل التصاميم الواسعة السابقة من حيث المساحة والحجم الذي يمكن استكشافه في أدمغة حية. من المرجح أن يسرِّع ULTRA الدراسات التي تربط سلوك الخلايا المحلية بالشبكات عبر الدماغ، مقربًا إيانا من فهم كيفية تعاون مجموعات الخلايا الموزعة لإنتاج الإدراك والحركة والذاكرة.

الاستشهاد: Yang, M., Zhou, ZQ., Lang, S. et al. Ultra-wide-field, deep, adaptive two-photon microscopy for multi-scale neuronal imaging. Light Sci Appl 15, 198 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02252-2

الكلمات المفتاحية: مجهر ثنائي الفوتون, تصوير عصبي, شبكات قشرية, بصريات متكيِّفة, نشاط عبر الدماغ