ابتكر باحثون في جامعة كاليفورنيا - ديفيس الأميركية، مجهراً مصغّراً عالي الدقة لتصوير نشاط الدماغ آنياً في أثناء الحركة والتصرف بحرية، وذلك لتوسيع نطاق فهم العلماء للسلوك البشري.
يقول الباحثون إن المجهر سيُسهم في تعزيز فهمنا لكيفية عمل الدماغ، مما يُتوقع أن يُفيد صحة الإنسان من خلال تمكين تطوير استراتيجيات علاجية جديدة ومُحسّنة لاضطرابات الدماغ.
ووفق الباحثين يمثل هذا الجهاز خطوةً مهمةً نحو إحداث ثورة في كيفية دراسة علماء الأعصاب للدماغ.
وكما صرح ويجيان يانغ، أستاذ الهندسة الكهربائية والحاسوبية جامعة كاليفورنيا، ديفيس: «ما نقوم به هو ابتكار تقنية لتصوير نشاط الدماغ في أثناء الحركة والتصرف بحرية، وذلك لتوسيع نطاق فهمنا للسلوك».
وأضاف في بيان صادر الجمعة: «الهدف هو ابتكار جهاز قادر على تمكين البحث في نشاط الدماغ وسلوكه آنياً، لمعرفة كيف يؤثر نشاط الدماغ على السلوك أو الإدراك».
وصف الباحثون نظام التصوير الأول من نوعه، الذي أُطلق عليه اسم «ديب إن مايند سكوب (DeepInMiniscope)»، في ورقة بحثية نُشرت، الجمعة، في دورية «ساينس أدفانسيس» العلمية.
يعتمد المجهر الجديد على عمل يانغ السابق لإنشاء كاميرا بدون عدسات قادرة على إنتاج صور ثلاثية الأبعاد من تعريض ضوئي واحد.
كان نظام التصوير هذا مناسباً تماماً للأجسام الكبيرة في بيئات ذات تشتت ضوئي ضئيل، مثل الرؤية الآلية لتجميع الأجزاء، ولكنه واجه صعوبة في التقاط تفاصيل العينات البيولوجية أو الطبية الحيوية.
في الأنسجة الحية، يكون تشتت الضوء شائعاً، ويكون تباين الإشارة الصادرة منخفضاً عادةً، وتُعد إعادة بناء السمات البيولوجية المعقدة عبر مساحة كبيرة مشكلة حسابية.
يحل مجهر «ديب إن مايند سكوب» هذه المشكلات بتصميم قناع جديد يحتوي على أكثر من 100 عدسة مصغرة وعالية الدقة، حيث تجمع شبكة عصبية الصورَ من كل العدسات لإعادة بناء الصور ثلاثية الأبعاد.
رؤى التعلم العميق
تجمع الشبكة العصبية للمجهر الجديد بين مناهج مختلفة للتعلم الآلي لإنشاء شبكة عصبية، مما يسمح بإعادة بناء فورية ودقيقة وعالية الدقة للتفاصيل الدقيقة عبر حجم كبير ثلاثي الأبعاد.
باستخدام هذه الأداة، سجل يانغ وفريقه البحثي النشاط العصبي لفأر في الوقت الحقيقي.
قال فنغ تيان، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر يانغ والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: «تجمع خوارزميتنا بين قابلية التفسير والكفاءة وقابلية التوسع والدقة. إنها لا تتطلب سوى قدر ضئيل من بيانات التدريب، ومع ذلك يمكنها معالجة مجموعات البيانات الضخمة بدقة وسرعة عالية».
ومن خلال تصميم مجهر صغير ومريح بما يكفي ليتمكن الفأر من ارتدائه براحة وأمان في أثناء تحركه بحرية، يهدف يانغ إلى تمكين علماء الأعصاب من دراسة السلوكيات في الوقت الحقيقي.
بمساحة 3 سنتيمترات مربعة فقط، أي بحجم حبة عنب تقريباً، ووزن يقارب أربعة بنسات بوزن 10 غرامات، يكاد جهاز المجهر يحقق النجاح المنشود.
وفي حين كانت التصاميم المماثلة في السابق مقيدة بحجم الكاميرا التقليدية الكبير، يستخدم المجهر الجديد مستشعراً صغيراً كلوحة دوائر كهربائية عادية مزودة بمستشعر صور.
يتمثل الهدف النهائي ليانغ في جهاز بمساحة سنتيمترين مربعين، يُقارنها بحجم قبعة فأر. وبالإضافة إلى ذلك، يسعى يانغ في الإصدار التالي إلى جعل الجهاز لاسلكياً.
ويشدد يانغ على أنه «من خلال تمكين المراقبة الفورية لنشاط الدماغ في أثناء التصرف بحرية، لا تُعزز هذه التقنية فهمنا الأساسي لكيفية معالجة الدماغ للمعلومات وتوجيه السلوك فحسب، بل تُسهم أيضاً في تحسين فهمنا لاضطرابات الدماغ وتطوير استراتيجيات علاجية لدى البشر في المستقبل».
