العلم في صور

العلم في صور

استبصار الأجنة البشرية^(*)

إن التقنية المسماة «الاستجهار بالرنين

المغنطيسي» تكشف أسرار بواكير نمو الإنسان.

<R .B. سميث>

إن مشهدا بيولوجيا جديدا أخاذا ينتظرني كل صباح حينما أصل إلى مركز الاستجهار في الأجسام الحية in vivo بالمركز الطبي في جامعة ديوك. فهو يبرز، بوساطة التقانة المعروفة باسم الاستجهار بالرنين المغنطيسي magneticresonance microscopy  MRM ، مناظر داخلية لِمُضغٍ embryos بشرية محفوظة. وتتمتع هذه الصور الثلاثية الأبعاد بميزتي الدقة والإرشاد معا. وتسمح لي هذه المضغ «الافتراضية» virtual بالقيام برحلاتِ محاكاةٍ بالحاسوب computer-simulated voyages عبر جميع أجهزة جسم الإنسان في مراحل نموه المبكرة. وباستخدام هذه الصور، بإمكاني أيضا تكوين رسم متحرك حي يمثل التطور الجنيني؛ الأمر الذي كان مستحيلا حتى الآن.

ويزداد الطلب على مثل هذه المعلومات المفصلة مع محاولة البيولوجيين فهم الخطوات في كل من التطور السوي والشاذ، إضافة إلى فهم العوامل التي تفرض حتمية أي من السيرورتين. وتأتي أكثر المعارف إثارة من دراسة شرائحslices ثنائية الأبعاد لمضغ مأخوذة من حيوانات سوية وحيوانات تم تغييرها وراثيا (جينيا). ولكن يجب على العلماء أن يربطوا بين المعلومات المستمدة من مثل هذه النماذج الحيوانية وبين ما يقابلها من مراحل تطور مبكرة لدى البشر ابتغاء تشخيص ومعالجة أفضل للشذوذات والأمراض الولادية التي تصيب الإنسان.

الجنين في مرحلة مبكرة (64 يوما)

جنين بشري مبكر محفوظ (64 يوما بعد الإخصاب) جرى تصويره بالاستجهار بالرنين المغنطيسي (MRM) وبالمجهر الضوئي التقليدي (الصورة في الأعلى). يبلغ طول الجنين في هذه المرحلة نحو 30 ملّيمترا. وتستطيع تقنيات الاستبصار بالحاسوب أن ترسم أجزاء مختارة من الجنين وتجعلها شفوفة (نصف شفافة) translucent، في حين تترك الأجزاء الأخرى معتمة. وعن طريق ضبط إعتام النموذج بهذه الطريقة، يستطيع الباحثون أن يروا البنى الداخلية على أعماق مختلفة وفي إطارها الطبيعي من دون تخريب النموذج (c-a). وبإمكان العلماء أيضا تقريب صورة الجنين وتدويرها وتبعيدها (f-d) واستخدام طريقة الاستبصار التي تسمى التقطيع segmentation للتركيز على أعضاء معينة، كإظهار الرئتين المتناميتين مثلا (k-g).

المرحلة 18 في مجموعة كارنيگي (44 يوما)

تظهر المقاطع العرضية للصورة الثلاثية الأبعاد (3-D) تفاصيل شديدة الدقة لباطن المضغة البشرية ـ وهي هنا مضغة محفوظة عمرها 44 يوما بعد الإخصاب، في مرحلة تعرف بمرحلة كارنيگي 18 (تظهر في الأعلى باستخدام المجهر الضوئي). إن المضغة التي هي بحجم حبة الفاصولية البيضاء تقريبا لاتزال فيها أصابع اليدين والقدمين مكفَّفة (ملتصقة كأصابع الطير)؛ إلا أن الدماغ نما إلى درجة ظهر فيها نصفا الكرة المخية، كما ظهرت طلائع الفقرات (وهي بنى شبيهة بخطوط صغيرة في الشريحة اليمنى) والأعضاء الداخلية. وتسمح التقنية MRM  للباحثين  برؤية نموذجٍ ما جرى تقطيعه في عدة مستويات مختلفة. وتقدم هذه الطريقة ثروة من المعلومات عن الأجزاء الداخلية من النموذج من غير أي تخريب له.

المرحلة 19 في مجموعة كارنيگي (47 يوما)

إن الأنبوب العصبي لمضغة بشرية عمرها 47 يوما (تظهر في كيسها الأمنيوسي في الصورة المجهرية الضوئية في أقصى اليمين وأدناه) يمكن فحصه بالطريقة MRM. وعن طريق منابلة (مداورة) الصور الرقمية يستطيع الباحثون تكوين صورة حاسوبية متحركة تسمى التحليق عبر الأنبوب العصبي، وهو ما سيكوّن الدماغ والنخاع (الحبل) الشوكي. وفي هذا التحليق يجري تدوير المضغة (c-a) ويدخل المشاهد إلى الأنبوب العصبي (d) ليقوم برحلة وهمية خلال الحويصلات القحفية، التي ستصبح بُطَيْنات ventricles الدماغ. ويستمر التسلسل ليصل إلى الدماغ المؤخَّر، عبر سقف البُطَيْن الرابع، ومن ثم إلى الدماغ المتوسط (h-e) قبل الانسحاب من البطين (j-i) ليظهر نصفا الكرة المخية.

ووفقا لذلك، فقد تعاقدتُ عام 1996 مع «المعهد القومي لصحة الطفل ونمو الإنسان» (NICHD) لتجميع قاعدة معلومات على الخط (بالاتصال الفوري)⁽¹⁾on-line  لمضغ بشرية افتراضية بالاستناد إلى مجموعة كارنيگي للمُضَغ البشرية؛ وهي مجموعة نفيسة لا تُقدَّر بثمن. وهذه المجموعة المودعة في «المتحف القومي للصحة والطب (التابع لمعهد القوات المسلحة للباثولوجيا في واشنطن العاصمة) مؤلفة من مضغ بشرية محفوظة من كل مرحلة من مراحل التطور الجنيني. وتضم مضغا يتفاوت عمرها بين يوم واحد وثمانية أسابيع بعد الإخصاب، إضافة إلى أجنة في مرحلة نمو مبكرة (تصبح المضغة جنينا بعد ثمانية أسابيع). ويبلغ طول أصغر النماذج نحو 0.2 ملّيمتر، في حين يصل طول أكبرها إلى 30 مليمترا تقريبا؛ وهو ما يساوي طول حبة اللوز. ويتألف الجزء الأساسي من مجموعة كارنيگي من مضغ كانت نواتج حالات إجهاض مبكر abortion ومتأخر miscarriage، وقد تم الحصول عليها بين عامي 1887 و1917 من قبل اختصاصي الأجنة <P .F. مول>. وتضم المجموعة الآن مضغا جرى اكتشافها أثناء التشريح الروتيني لجثث نساء حوامل.

ويقسم القائمون على تطوير هذه المجموعة التطورَ الجنيني إلى 23 مرحلة استنادا إلى معالم مهمة محددة، كالزمن الذي تبزغ فيه أول براعم الأطراف. وقد عَهد إليّ المعهد NICHD بمهمة وضع صور يُستخدم فيها الاستجهار MRM لمضغ في المرحلة 10 من مجموعة كارنيگي (222 يوما بعد الإخصاب) ـ حينما يظهر القوس البلعومي الأول، الذي يصبح جزءا من الفك ـ وحتى الأسبوع الأول من تطور الجنين. قام <S .D. هف> (من مستشفى الأطفال في فيلادلفيا) بدراسة مضغ مجموعة كارنيگي واختيار أفضلها للتصوير. وأصبحت ثمار جهودي متاحة أمام الأطباء والعاملين في مجال البيولوجيا التطورية ـ إضافة إلى الأفراد العاديين ـ بفضل موقع على الويب (الشبكة العنكبوتية العالمية WWW) عنوانه: المضغة البشرية المتعددة الأبعاد Multidimensional Human Embryo[انظر: مراجع للاستزادة في الصفحة 27]. ويمكن الآن رؤية معلومات عن مجموعة كارنيگي في المراحل 14، 15، 17، 19، 22، 23؛ وستنشر المعلومات عن المراحل الأخرى في الشهر6/2000.

ولإنشاء مثل هذه المناظر التي لم يسبق لها مثيل عن المضغ البشرية أضعُ كل مضغة بعناية داخل قارورة أجعلها بعدئذ في مغنطيس فائق الموصلية (الناقلية). إن تقنية الاستجهار بالرنين المغنطيسي (MRM) شبيهة بالتصوير بالرنين المغنطيسي (MRI) الذي تجريه مستشفيات عديدة. والطريقة MRMتماثل الطريقة MRI من حيث استخدام طاقة التردد الإشعاعي لإثارة البروتونات في الماء ضمن النسج وكشفِها. غير أن الطريقة MRM تظهر تفاصيل شديدة  الدقة تفوق الفائدة والناحية العملية المتوخاة في التشخيص الطبي. ومع أن الطريقة MRI يمكنها أن تنتج صورا ذات مَيْز ڤوكسيلي⁽²⁾ voxel resolution يبلغ  1 مليمتر مكعب، فإن بإمكان الطريقة MRM أن تسجل ڤوكسيلات أصغر مليون مرة. ونستطيع تحقيق هذا المَيْز العالي باستخدام مغنطيسات أشد فعالية وممالات gradients أقوى لتشويش الساحة المغنطيسية ووشائع coils تصوير أصغر تسمح بمعالجة النماذج الصغيرة جدا.

إن تقنيات MRM التي جرى تطويرها في جامعة ديوك من قبل <A .G. جونسون> وزملائه لا تخرب المضغ إطلاقا. وعلى نقيض ذلك، فلكي يتمكن الباحثون من رؤية المضغ بالمجاهر المألوفة يتوجَّب عليهم اللجوء، على نحو تقليدي، إلى تقطيع النماذج فيزيائيا إلى شرائح للحصول على مئات من المقاطع العرضية الرقيقة جدا. إن تقنية الطريقة MRM تنشئ مضغا افتراضية ثلاثية الأبعاد لا تشوُّه فيها، وذلك خلال جزء من الوقت المطلوب لإنجاز عملية إعادة الإنشاء بالمجهر الضوئي. ومن الممكن إنتاج مجموعة معلومات ثلاثية الأبعاد من مضغة في أقل من ساعتين، وهذا أسرع كثيرا من مئات الساعات اللازمة لإنشاء تشكيلات جديدة بالمجهر الضوئي.

ومع أن الطريقة MRM تشكل أطقم بيانات مفصلة ثلاثية الأبعاد، فالباحثون يعتمدون على برمجيات الحاسوب لعرض النتائج. ولإنشاء صور كتلك المرافقة لهذه المقالة، أَستعملُ وزملائي برمجيات الحاسوب التي تُظهر الحجم volume-rendering لترتيب شرائح كل صورة من صور الطريقة MRM ومجموعها 1288، ويضم كل منها 256×256 پكسِل (عنصورة)(5) pixel ـ لتشكيل صفيف arrayمكعب من 8,44 مليون ڤوكسيل؛ ويمثل كل ڤوكسيل جزءا دقيقا جدا من المضغة. وتسمح لنا البرمجيات بتدوير مصفوفة matrix الڤوكسيلات هذه، وتقطيع طبقات الڤوكسيلات، وحتى تلوينها وضبط درجة رماديتها، بالاعتماد على معايير criteria مختلفة كقوة إشارتها مثلا. وبعدئذ نستخدم خوارزميات الحاسوب لتمرير أشعة ضوء افتراضية عبر كل مصفوفة من الخلف إلى الأمام. وتتحور الأشعة بوساطة الڤوكسيلات التي تصادفها، وتشكل صورة في مستوى مِرقاب monitor الحاسوب. وتمكننا أدواتنا من أن نقطع الصورة رقمياdigitally إلى شرائح في أي اتجاه، كما نستطيع أيضا أن نجعل سطوح النماذج شفافة لإظهار البنى الداخلية. وعلاوة على ذلك، يمكننا عزل منظومات أعضاء محددة من أجل الفحص والقياس.

المرحلة 19 في مجموعة كارنيگي (47 يوما)

يسمح التلوين الكاذب للباحثين بإعطاء ألوان للصور المأخوذة بالتقنية MRM  وذلك لإبراز بنى متنوعة،  كإظهار الأعضاء المتنامية في المضغة البشرية المحفوظة ـ والمبينة هنا عمرها 47 يوما. ففي الصور الملونة أعلاه وأدناه يتوهج اللَّجَف البصري optic cup(الشبكية المتنامية) للعين بلون أصفر برتقالي، وتدل الأشكال البيضوية الكهرمانية اللون على العُقَد النخاعية، حيث تبرز الأعصاب الشوكية من النخاع الشوكي؛ ويلمع الكبد خلال البطن بلون أخضر زاهٍ؛ كما تشاهد الأذن النامية واضحة بلون أخضر زاه فوق الكتف. وتُظهر الصورة أيضا تشكُّل الأضلاع الغضروفية تحت الذراع وتناقصا ضئيلا في درجة التكفُّف (الالتصاق) بين الأصابع.

ومن خلال الموقع (على الويب) المعنون «بالمضغة البشرية المتعددة الأبعاد» سيتمكن الباحثون في مختلف أرجاء العالم من استخدام المصدر القيم المتاح لدى مجموعة كارنيگي والحصول على مزيد من المعلومات من المضغ التي تضمّها يفوق ما أمكن الحصول عليه في هذا المجال في أي وقت مضى. وإنني وزملائي نتوقع أن يبرهن هذا المصدر الإلكتروني على الخط on-line على أنه مُعين في تدريب السريريين (الإكلينيكيين) على كشف العيوب الولادية باستخدام تقنيتي MRI والصوت الفائق ultrasound. وسيقدم هذا المصدر أيضا معلومات قيمة على هيئة صور وعلى نحو مباشر إلى مختبرات الباحثين الذين تعوزهم الخبرة في علم الجنين، وإلى قاعات دراسة الطلبة الذين يتعلمون أسس تشريح الجنين. ومن خلال سيرورة إنشاء هذه الصور الرائعة سنحفظ للأجيال القادمة مجموعة نادرة جدا من المضغ البشرية يستحيل تعويضها.

المرحلة 17 في مجموعة كارنيگي (41 يوما)

مضغة عمرها 41 يوما ـ تظهر في الأعلى بوساطة المجهر الضوئي مع كيسها المحي ـ ذات نسج متمايزة تماما تم إظهارها بطرق مختلفة في هذه المناظر التي تم الحصول عليها باستخدام ثلاث تقنيات مختلفة من الطريقة MRM وهي: القياس T1- والقياس T2-  وقياس  الانتشار. وهذه التقنيات الثلاث تسمح للباحثين برؤية الماء ضمن النماذج بطرق ثلاث بوساطة مقارنة كيفية تآثر الماء مع الجزيئات الأخرى ـ وهي خاصية تختلف من نسيج إلى آخر. ويعكس القياس T1- والقياس T2-طريقتين من طرق كشف زمن الاسترخاء: أي كيف تعيد البروتونات في الماء تلاؤمها بعد أن شوشتها طاقة التردد الشعاعي التي استخدمت لإثارتها. وفي الصورة T1 تبرز بوضوح الأوعية الدموية الرئيسية وحجرات القلب والكبد. وتعكس الصورة T2 النسج اللاوعائية، من دون تمييز واضح بينها. ويستفيد التصوير بالانتشار من حقيقة انتشار الماء في نسج عديدة بسرعة أكبر في اتجاه ما مما هو في اتجاه آخر؛ وهو بذلك مصدر معلومات ذو أهمية خاصة في دراسة البنى العصبية كقشرة المخ مثلا (خطوط بيضاء رفيعة في أعلى يمين الصورة اليمنى).

 المؤلف

Bradley R. Smith

أستاذ مساعد باحث في قسم الأشعة بالمركز الطبي في جامعة ديوك Duke، حيث يستخدم الاستجهار بالرنين المغنطيسي (MRM) لدراسة تطور الجهاز القلبي الوعائي. وإضافة إلى وضعه الأطلس الرقمي لعلم الجنين البشري الذي تم وصفه في هذه المقالة، قام بتجميع أطلس مماثل لأجنة الفئران. حصل سميث على الدكتوراه في التشريح من جامعة ديوك، كما حصل على الماجستير من قسم الفنون في تطبيقاتها على الطب من جامعة جونز هوپكنز. وإلى جانب ما يقوم به سميث من بحوث فهو يمتلك ويدير الشركة Bio Image التي تقدم وسائل الإيضاح الطبية.

مراجع للاستزادة 

ATLAS OF HUMAN EMBRYOS. Raymond E Gasser. Harper & Row, 1975.

DEVELOPMENTAL STAGES IN HUMAN EMBRYOS: INCLUDING A REVISION OF STREETER’S HORIZONS AND A SURVEY OF THE CARNEGIE COLLECTION. Ronan O’Rahilly and Fabiola Miiller. Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C., 1987.

The Multidimensional Human Embryo Web Site is available at embryo. mc.duke.edu on the World Wide Web.

Scientific American, March 1999

 Visualizing Human Embryos(*)

(1) أي اتصال مباشر من خلال شبكة حاسوبية.

(2) نسبة إلى ڤوكسيل voxel، أي عنصر حجمي volume element.

(3) نحت من «عنصر صورة».