مستقبلات ضوئية مرنة تحاكي شبكية العين البشرية

باحثو «كاوست» يطورون تطبيقات متنوعة مستوحاة منها

البروفسور خالد سلامة يحمل مصفوفة مستقبلات ضوئية مرنة مصنعة في {كاوست}
البروفسور خالد سلامة يحمل مصفوفة مستقبلات ضوئية مرنة مصنعة في {كاوست}
TT
20

مستقبلات ضوئية مرنة تحاكي شبكية العين البشرية

البروفسور خالد سلامة يحمل مصفوفة مستقبلات ضوئية مرنة مصنعة في {كاوست}
البروفسور خالد سلامة يحمل مصفوفة مستقبلات ضوئية مرنة مصنعة في {كاوست}

تعتبر القوة الحاسوبية محركاً مُهِمّاً في النمو التكنولوجي والصناعي والاقتصادي للمجتمع في جميع أنحاء العالم، حيث اعتمد الإنسان - منذ ظهور المعالجات الدقيقة - على القدرات الحاسوبية للآلات لإجراء العمليات الحسابية المعقدة بصورة أسرع بكثير من الوقت الذي يحتاجه الدماغ البشري. إلا أن تفوق القوة الحاسوبية على العقل البشري ينحصر بصورة معينة في العمليات الحسابية المعقدة، بينما يتضاءل عند مقارنتها بقدرة الإنسان على تحديد الأنماط واتخاذ الإجراءات أو، على سبيل المثال، التعرف على ملامح الوجه بدقة للأفراد بين الحشود.

- حوسبة عصبية
وفي هذا السياق، تلعب الهندسة العصبية أو الحوسبة العصبية - وهي فرع من العلوم مستوحى من الدماغ البشري - دوراً كبيراً في بناء وتنظيم الأطر العملية لأنظمة الحاسب الآلي. ويأمل العلماء في تطبيق بعض ما نعرفه عن وظيفة الدماغ لتحقيق أقصى قدر من التقدم المهم في تصميم الأنظمة العصبية الصناعية بالاعتماد على تقنيتي الذكاء الصناعي (AI) وتعليم الآلة لبناء أنظمة بصرية حاسوبية أفضل، وروبوتات وسيارات مستقلة، وأجهزة استشعار أكثر ذكاءً، والكثير من التطبيقات الأخرى.
نشرت مجلة نيتشر (Nature) العلمية في وقت سابق من هذا العام ورقة بحثية بعنوان «مستقبلات ضوئية مرنة تحاكي شبكية العين» لفريق من الباحثين في مختبر الاستشعار في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، بقيادة البروفيسور خالد نبيل سلامة تناولت بحثهم حول تطوير مستقبلات ضوئية مرنة هجينة من البيروفسكايت يمكن ضبط سعتها عن طريق تحفيز الضوء، وبالتالي محاكاة شبكية العين البشرية.
بدأ المشروع عندما لاحظ طالب في فريق الباحثين أن خصائص المكثف الكهربائي التي يمكن تغييرها من خلال تسليط الضوء عليها، تتأثر في الوقت نفسه وبشكل مختلف بناءً على لون الضوء، مثل الأخضر أو الأزرق أو الأحمر.
يقول البروفيسور سلامة: «وجدنا أن النطاق الذي تؤثر عليه هذه المكثفات هو نفس نطاق العين البشرية، وهو ما نسميه النطاق المرئي، لذلك بدأنا ننظر لها بنفس نظرتنا للعين البشرية التي تستطيع أيضاً تغيير خصائصها».
كانت الخطوة التالية لعلماء مختبر الاستشعار في كاوست هي الاستفادة من خبرة زملائهم الباحثين في الجامعة الذين يعملون في مجال توصيف الصور والتعرف على أنماط الدماغ لبناء نظام كامل يربط بين الرؤية والمعالجة. وكان هدفهم في الأساس التعرف على آلية ربط العين بالدماغ، بحيث عندما ترى العين شيئا ما، يتعرف الدماغ عليه. وتحقق مرادهم من خلال العمل مع البروفيسور بون أوي، المتخصص في أنظمة الكشف البصري.

استخدام بوليمر حساس للضوء أثناء تصنيع مصفوفة مستقبلات ضوئية مرنة

- تطبيقات مطورة
وقد عمل فريق الباحثين على تطوير تطبيقات مفيدة للهندسة العصبية تساعد في توفير الطاقة.
ويعد تطوير المدن الذكية أولوية متزايدة لكل من الدول الغنية والناشئة المهتمة بمستقبل مستدام. وتمثل الرقمنة وتحسين البيانات وتوفير الطاقة المطلوبة للمعالجة الحاسوبية أولوية مركزية. وبما أن أجهزة الاستشعار توجد في كل مكان - بدءاً من كاميرات الهواتف الذكية التي يستخدمها الأشخاص لالتقاط الصور إلى أنظمة المراقبة الأمنية – فإنها مطلوبة بشكل متزايد، وهي قادرة على اتخاذ القرارات على الفور.
يقول سلامة: «نظراً لأن السيارات ذاتية القيادة تلغي الحاجة إلى السائقين، فإننا نعتمد على أجهزة الاستشعار والكاميرات والليزر للمراقبة الفعلية لبيئة هذه المركبات. وامتلاك تقنية مثل هذه سيسمح للسيارات ذاتية القيادة بالتنقل بشكل أسرع، واتخاذ قرارات لحظية بدلاً من الانتظار حتى يتم إرسال الصور إلى الحاسب الآلي لتحليلها ومعالجتها، وقد لا يكفي هذا لتجنب الاصطدام بعائقٍ ما على الطريق». ويمكن أن تكون الحوسبة العصبية مفيدة للغاية في توفير الطاقة عن طريق زيادة سرعة المعالجة ودقتها، وذلك من خلال بناء أجهزة تشبه في وظيفتها دماغ الإنسان. وهناك حاجة متزايدة للأجهزة التي تحاكي المستقبلات الضوئية لشبكية العين البشرية، مثل أجهزة الاستشعار المختلفة.
وخير مثال على ذلك هو الكاميرات الأمنية التي تسجل باستمرار الصور ومقاطع الفيديو دون أن تعرف بدقة ما تلتقطه. فضلاً عن أن هذا التسجيل المستمر يستهلك قدراً كبيراً من الطاقة والقوة الحاسوبية وحزم من بيانات الاتصال اللازمة لإرسال المعلومات. ويمكن الاستعاضة عن كاميرات المراقبة التقليدية بمكثف خاص يتم تصميمه كجهاز استشعار بصري قابل للضبط ويوفر الكثير من الطاقة، يشرح سلامة: «يعمل المكثف على تقييم صورة المشهد بنفس الطريقة التي يقوم بها الدماغ. وبذلك يصبح بين أيدينا نوع من الكاميرات الأمنية التي تحاكي بالضبط كيف يتعرف البشر على الأشياء».
إن إمكانات جهاز الاستشعار الذي اقترحه باحثو كاوست لتطبيقات الرؤية العصبية كبيرة، لأنه يوسع النطاق من الاستشعار إلى الإدراك، مدعوماً بتقنية تعليم الآلة والشبكات العصبية العميقة.
ووجود مثل أجهزة الاستشعار هذه على طائرة دون طيار (الدرون)، على سبيل المثال، يمكن أن يحسن إلى حد كبير وقت الطيران، والذي لا يتجاوز عادة ساعة واحدة. وإذا نظرنا في تطبيقات محددة، كالتي في القطاعات العسكرية، قد يُطلب من طائرة الدرون اتخاذ بعض الإجراءات المحددة مسبقاً بناءً على الصور التي تلتقطها. وبوجود مثل أجهزة الاستشعار هذه يمكن للدرون اتخاذ هذه القرارات على الفور من تلقاء نفسها دون الحاجة للتدخل البشري أو إرسال المعلومات للقاعدة العسكرية لاتخاذ القرار.
يهدف فريق كاوست الآن إلى زيادة حجم ودقة الصور التي يمكن تحليلها بواسطة جهاز الاستشعار لتتجاوز نطاق 10X10 بكسل. ويتضمن هذا العمل الهندسي أيضاً استكشاف أنواع أخرى من المواد التي يمكن أن تقدم لنا دقة وحساسية أفضل.


مقالات ذات صلة

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

علوم النموذج تم تطويره باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

أنتجت مجموعة من العلماء هيكلاً يشبه إلى حد كبير الجنين البشري، وذلك في المختبر، دون استخدام حيوانات منوية أو بويضات.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم الهياكل الشبيهة بالأجنة البشرية تم إنشاؤها في المختبر باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء يطورون «نماذج أجنة بشرية» في المختبر

قال فريق من الباحثين في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة إنهم ابتكروا أول هياكل صناعية في العالم شبيهة بالأجنة البشرية باستخدام الخلايا الجذعية.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

تمكنت مجموعة من العلماء من جمع وتحليل الحمض النووي البشري من الهواء في غرفة مزدحمة ومن آثار الأقدام على رمال الشواطئ ومياه المحيطات والأنهار.

«الشرق الأوسط» (نيويورك)
علوم صورة لنموذج يمثل إنسان «نياندرتال» معروضاً في «المتحف الوطني لعصور ما قبل التاريخ» بفرنسا (أ.ف.ب)

دراسة: شكل أنف البشر حالياً تأثر بجينات إنسان «نياندرتال»

أظهرت دراسة جديدة أن شكل أنف الإنسان الحديث قد يكون تأثر جزئياً بالجينات الموروثة من إنسان «نياندرتال».

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

توصلت دراسة جديدة إلى نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات على كوكب الأرض مشيرة إلى أن نظرية «تبلور العقيق المعدني» الشهيرة تعتبر تفسيراً بعيد الاحتمال للغاية.

«الشرق الأوسط» (لندن)

التحكم في حموضة الخلايا قد يكون مفتاحاً لعلاج أمراض المناعة الذاتية

التحكم في حموضة الخلايا قد يكون مفتاحاً لعلاج أمراض المناعة الذاتية
TT
20

التحكم في حموضة الخلايا قد يكون مفتاحاً لعلاج أمراض المناعة الذاتية

التحكم في حموضة الخلايا قد يكون مفتاحاً لعلاج أمراض المناعة الذاتية

أظهرت دراسة رائدة أجراها باحثون في كلية بيرلمان للطب بجامعة بنسلفانيا في الولايات المتحدة، أن التحكم في حموضة الخلايا قد يمهد الطريق لعلاجات جديدة لأمراض المناعة الذاتية. وتقدم الدراسة أدلة قوية على أن تنظيم تفاعل بروتيني محدد يمكن أن يقلل الالتهاب الشديد، وهو السمة المميزة لكثير من اضطرابات المناعة الذاتية.

خلل بروتين يحفز الالتهابات

وتركز البحث على بروتين يُعرف بـ«محفز جينات الإنترفيرون» (STING) Stimulator of interferon genes، ويلعب دوراً حاسماً في تحفيز الالتهاب اللازم للدفاع المناعي. ففي الظروف الطبيعية، يساعد هذا البروتين في حماية الجسم من العدوى، لكن عند حدوث طفرات جينية تؤدي إلى خلل في عمله، قد ينشط بشكل مفرط، ما يسبب استجابة التهابية غير طبيعية. ومن بين الآثار الخطيرة لهذا الخلل؛ وجود حالة اعتلال الأوعية الدموية المرتبطة بهذا البروتين التي تبدأ في مرحلة الطفولة، وتسبب التهابات شديدة في الجلد والرئتين وأعضاء حيوية أخرى. وقد شُخّص أكثر من 50 حالة من هذا الاعتلال منذ عام 1980، وغالباً ما يؤدي إلى وفاة المرضى في العشرينات الأولى من حياتهم.

وبالإضافة إلى دوره في تحفيز الالتهاب، يسهم بروتين محفز جينات الإنترفيرون في تنظيم حموضة جهاز «غولجي»، وهو الهيكل الخلوي المسؤول عن معالجة وتغليف ونقل البروتينات والدهون. ويُعدّ نقل السيتوكينات البروتينات المهمة لنمو ونشاط الجهاز المناعي، من الوظائف الحيوية التي يتأثر نظامها بتقلب مستويات الحموضة في جهاز «غولجي».

اكتشاف بروتين «مساعد» وإزالته لتقليل الالتهاب

قاد الدكتور جوناثان مينر وفريقه البحثي في جامعة بنسلفانيا بالدراسة التي نُشرت في مجلة «Cell» في 20 مارس (آذار) 2025، حيث سعى الفريق إلى كشف الآليات الدقيقة التي ينظم بها بروتين محفز جينات الإنترفيرون حموضة جهاز «غولجي» (Golgi apparatus). وكان معروفاً أن هذا البروتين يؤثر على الحموضة عبر نشاط قنوات البروتون، وهو النظام الذي يسمح لذرات الهيدروجين بالانتقال عبر أغشية الخلايا. إلا أن الطريقة التي يتحكم بها في الحموضة، لم تكن واضحة حتى الآن.

إلا أن مسار البحث تغير عندما أشارت نتائج الفحص الجيني لمريض مصاب بمتلازمة نقص المناعة الذاتية، إلى وجود بروتين آخر يُدعى «ArfGAP2». ويُوصف هذا البروتين بأنه «مساعد»، حيث يؤثر بشكل مباشر على نشاط قنوات البروتون في محفز جينات الإنترفيرون.

وأظهر البحث أن حذف هذا البروتين المساعد، وراثياً، في النماذج المختبرية، يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في نشاط بروتين محفز جينات الإنترفيرون، ما يصاحبه تقليل في الالتهاب وتخفيف أعراض أمراض المناعة الذاتية. وعلق مينر قائلاً: «من اللافت للنظر أن شيئاً صغيراً كحموضة عضية صغيرة داخل الخلية، يمكن أن يُحدث فرقاً كبيراً كهذا».

علاج أمراض المناعة الذاتية

تمتد نتائج هذه الدراسة إلى ما هو أبعد من حالة اعتلال الأوعية الدموية النادرة المرتبطة بهذا البروتين. فبما أن بروتين محفز جينات الإنترفيرون يلعب دوراً في تنظيم المناعة بمئات الأمراض، بما في ذلك بعض أشكال الذئبة وأمراض أخرى، فإن استهداف التفاعل بين محفز جينات الإنترفيرون والبروتين المساعد، قد يوفر استراتيجية علاجية جديدة لإدارة مجموعة واسعة من اضطرابات المناعة الذاتية.

وتشير النتائج إلى أن تعطيل هذا التفاعل قد يسهم في تعديل نشاط قنوات البروتون، وبالتالي تحسين حموضة جهاز «غولجي»، مما ينعكس إيجاباً على تنظيم السيتوكينات وخفض مستويات الالتهاب. ومن هنا، يُمكن أن يؤدي هذا التعديل إلى تخفيف أعراض الأمراض المناعية، وتحسين جودة حياة المرضى.

آفاق لتطوير أدوية مستقبلية

يعمل الباحثون الآن على ترجمة نتائجهم المختبرية إلى تطبيقات علاجية عملية، ومن بين الاستراتيجيات الواعدة؛ تطوير أدوية صغيرة تُعطى عن طريق الفم لتعطيل وظيفة البروتين المساعد (ArfGAP2). هذه الأدوية قد توفر خياراً علاجياً أقل تدخلاً وأسهل استخداماً، مقارنةً بالعلاجات التقليدية التي غالباً ما تكون مصحوبة بآثار جانبية خطيرة.

ويختتم الدكتور مينر حديثه قائلاً: «لا يقتصر بحثنا على تسليط الضوء على الأسس الجينية للمناعة الذاتية فحسب؛ بل يفتح أيضاً آفاقاً جديدة لعلاجات ثورية تهدف إلى تحسين حياة الملايين». ومع استمرار الأبحاث والتجارب السريرية، يقترب الأمل في إيجاد حلول فعالة ومبتكرة لإدارة الأمراض المناعية الذاتية من التحقيق.

ويمثل التحكم في حموضة الخلايا تقدماً علمياً مهماً قد يغير مستقبل علاج أمراض المناعة الذاتية. وبينما يظل البحث في مراحله الأولية، توفر النتائج الأولية أملاً جديداً للمرضى الذين يعانون من التهابات مزمنة واضطرابات مناعية محدودة الخيارات العلاجية. ومع الجهود المستمرة لتطوير هذه الاستراتيجيات، قد نشهد قريباً تحولاً جذرياً في كيفية إدارة وعلاج أمراض المناعة الذاتية.