مجهر صُمم للتغلب على مفاضلة هندسية قديمة
لطالما تشكل تصميم المجاهر بفعل تسوية عنيدة. فعادةً ما يستطيع الباحثون تحسين الدقة العالية، أو مجال الرؤية الواسع، أو سرعة التصوير، لكن تحسين إحدى هذه السمات يميل إلى إضعاف واحدة على الأقل من السمات الأخرى. وقد حدّ هذا التوازن الصعب مما يمكن للعلماء رصده عندما يريدون في الوقت نفسه رؤية تفصيلية واسعة النطاق للنشاط البيولوجي الديناميكي.
ويقول فريق بقيادة جامعة كاليفورنيا في بيركلي إنه بنى الآن مجهرًا حاسوبيًا يغير هذا التوازن. وفي عمل نُشر في Nature Photonics ووصفه موقع Phys.org، طور الباحثون نظامًا قادرًا على التقاط دقة على مستوى الميكرون عبر مساحات تمتد لعدة سنتيمترات وبمعدلات أسرع من الفيديو. ويبلغ معدل الإنتاج المعلن 25.2 مليار بكسل في الثانية، ما يجمع بين التصوير واسع النطاق والتفاصيل الدقيقة بسرعة يصعب على البنى التقليدية للمجاهر مجاراتها.
إذا انتقلت هذه الأداءات جيدًا إلى سير العمل المخبري الفعلي، فقد يوسع ذلك استخدامات المجهرية، ولا سيما في التجارب التي تتضمن العديد من الكائنات المتحركة أو العينات الحية الكبيرة التي تحتاج إلى تتبع بمرور الوقت.
لماذا يهم ذلك
المشكلة التقليدية في المجهرية بسيطة في وصفها لكنها صعبة في حلها. فالإعداد عالي التكبير يمكنه إظهار البنى الصغيرة، لكنه يكون عادة ضمن مساحة محدودة. أما المجال الأوسع فيمكنه إظهار جزء أكبر من العينة، لكنه غالبًا بتفاصيل أقل. ويضيف التصوير السريع قيدًا آخر، لأن جمع مزيد من البيانات بسرعة أعلى يمكن أن يرهق البصريات أو المستشعرات أو خطوط المعالجة.
ويهدف نظام بيركلي إلى دفع هذه الحدود في الوقت نفسه. ووفقًا للتقرير، يحقق المجهر دقة 3 ميكرونات عبر أكثر من 5 سنتيمترات مربعة بمعدل 120 إطارًا في الثانية. ووصفت الباحثة الرئيسية لورا والر النتيجة بأنها اختراق في المجهرية الحاسوبية، وقالت إن الجمع بين الدقة والمساحة والسرعة لا يمكن تحقيقه بالطرق التقليدية.
ولا تكمن الأهمية في مجرد رقم أكبر على مخطط الأداء. فمجهر يمكنه مراقبة العديد من الكائنات وهي تتحرك بحرية عبر مشهد واسع، مع الاستمرار في تمييز السمات على مستوى الميكرون، قد يجعل بعض التجارب أسهل تنفيذًا وأكثر إفادة في التحليل.
كيف يعمل النظام
يعتمد التصميم على مصفوفة من 48 مستشعر كاميرا بدلًا من الاعتماد على كاشف واحد. كما يستخدم عنصرًا بصريًا حيوديًا يولد دالة انتشار نقطي متعددة البقع موزعة عند مستوى الصورة. وبعبارة أبسط، تقوم البصريات بترميز المعلومات المرئية عمدًا بطريقة يمكن إعادة بنائها لاحقًا حسابيًا.
ويهم هذا لأن مستشعرات الـ48 مرتبة في شبكة بينها فراغات. وفي الظروف العادية، تعني هذه الفجوات فقدان معلومات من الصورة. لكن الفريق يستخدم، بحسب التقرير، حيلًا في التصوير الحاسوبي لترميز الأجزاء التي كانت ستقع في تلك المناطق الفارغة ترميزًا ضاغطًا. ثم تُستخدم مسألة عكسية حسابية لاستعادة الصورة كاملة النطاق.
ويعكس هذا النهج تحولًا أوسع في علم التصوير. فبدلًا من مطالبة البصريات وحدها بالقيام بكل العمل، يصمم الباحثون الأجهزة والخوارزميات معًا بحيث يعوض كل منهما قيود الآخر. وفي هذه الحالة يعتمد أداء المجهر على هذا الاقتران. فالإعداد البصري ينشئ إشارة غنية بالمعلومات، ثم تحولها إعادة البناء الحسابية إلى تسلسل صور قابل للاستخدام وعلى نطاق واسع.
ما الذي عرضه الباحثون
تسلط المقالة الضوء على تصوير ديدان C. elegans المتحركة بحرية عبر مجال رؤية تزيد مساحته عن 5 سنتيمترات مربعة. وهذا مثال توضيحي مفيد لأنه يجمع بين الحركة والتعددية والأهمية البيولوجية. فمتابعة بضعة كائنات تحت تكبير عالٍ تمثل تحديًا واحدًا، أما متابعة العديد منها عبر مساحة واسعة من دون التضحية بالتفاصيل فهي تحدٍ آخر.
ويقول الباحثون إن النظام يفتح الباب أمام تصوير العديد من الكائنات الحية في الوقت نفسه ومراقبة العينات بمرور الزمن. ويشير ذلك إلى قيمة محتملة في علم السلوك، ودراسات النمو، وسير عمل الفحص، وغيرها من البيئات التي تحتاج فيها المجموعات الكبيرة أو العينات كبيرة الحجم إلى مراقبة مستمرة.
السرعة عنصر أساسي هنا. فعند 120 إطارًا في الثانية، لا يقتصر النظام على إنتاج صور ساكنة فائقة الاتساع، بل يلتقط عمليات ديناميكية بمعدلات سريعة بما يكفي لتمييز حركة قد تصبح ضبابية أو تضيع في الأنظمة الأبطأ. وهذا مهم عندما يتغير موضوع الدراسة في الشكل أو الموضع أو حالة التفاعل من لحظة إلى أخرى.
الأهمية الأوسع للمجهرية الحاسوبية
يوضح هذا التقدم أيضًا كيف تنضج المجهرية الحاسوبية من نهج متخصص إلى استراتيجية هندسية عملية. فلعقود، حملت فكرة استعادة مزيد من المعلومات من القياسات المرمزة وعدًا بكسر الاختناقات الفيزيائية في التصوير. وكانت الصعوبة في بناء أنظمة تكون فيها إعادة البناء متينة بما يكفي، والإعداد العام عمليًا بما يكفي للاستخدام الحقيقي.
يشير عمل بيركلي إلى مستقبل لا تُعرَّف فيه قدرة المجهر فقط بالعدسات وحجم المستشعر، بل بالبنية الكلية للمعلومات في الأداة. تصبح مصفوفات المستشعرات والترميز البصري المهيكل وخوارزميات إعادة البناء أجزاء من آلة واحدة بدلًا من طبقات تقنية منفصلة.
وقد يكون لذلك أهمية تتجاوز تصميم أداة واحدة. فإذا أمكن تكييف أساليب مماثلة مع سياقات مجهرية أخرى، فقد تحصل المختبرات على طرق جديدة لرصد ظواهر كانت تتطلب سابقًا الاختيار بين التفاصيل والتغطية. وعندها يصبح السؤال المحدِّد أقل تعلقًا بأي بُعد أداء يجب التضحية به، وأكثر تعلقًا بكمية التعقيد التي يرغب الباحثون في تحملها في المعايرة والحوسبة.
ما الذي ينبغي مراقبته لاحقًا
النتائج المعلنة مثيرة للإعجاب، لكن الأثر طويل الأمد سيتوقف على مدى اتساع قابلية تطبيق التقنية ومدى سهولة وصول النظام إلى خارج المختبر الذي طوره. فالنماذج الأولية عالية الأداء غالبًا ما تثبت الفكرة قبل أن يبدأ العمل الأصعب لتحويل تلك الفكرة إلى أداة بحثية قابلة للتكرار.
ومع ذلك، فإن النتيجة الأساسية لافتة بحد ذاتها. فالفريق يصف مجهرًا عمليًا يتمتع بجداء زماني-مكاني كبير على نحو غير معتاد، إذ يجمع بين التفاصيل العالية، والتغطية الواسعة، والتصوير السريع في منصة واحدة. وفي مجال حكمته طويلًا المقايضة، يمثل ذلك تحولًا تقنيًا مهمًا.
في المجهرية، غالبًا ما يُوصَف التقدم من خلال صور أوضح أو التقاط أسرع. وما يميز هذا العمل أنه يدّعي تحقيق الأمرين معًا، مع توسيع مجال الرؤية بما يكفي لتغيير نوع التجارب التي يمكن إجراؤها من الأساس. ولهذا تبدو الدراسة أقل شبهاً بترقية تدريجية للمستشعر وأكثر شبهاً بإعادة تصميم للتوازن بين البصريات والحوسبة.
تعتمد هذه المقالة على تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on phys.org
