اگر بخواهید ضربان قلب کسی را بالا ببرید، احتمالاً راههای بهتری از تاباندن چراغقوه داخل گوش او وجود دارد! اما اگر چراغقوه را با لیزر جایگزین کنید و بهجای انسان، سراغ ماهی گورخری (Zebrafish) بروید، نتیجه بسیار جالب میشود.
به گزارش انتخاب و به نقل از sciencealert ؛ فیزیکدانی به نام شیائوشوای لیو از دانشگاه گوانگژو در چین و همکارانش دقیقاً همین کار را انجام دادهاند؛ و نتیجه به همان اندازه که عجیب به نظر میرسد، شگفتانگیز است.
ایدهای عجیب: آیا میتوان با نور، «صدا» ایجاد کرد؟
لیو میگوید وقتی مردم به نور و صدا فکر میکنند، معمولاً نور را با دیدن و صدا را با شنیدن مرتبط میدانند. اما اگر به اصل فیزیکی صدا برگردیم، صدا در بنیادیترین شکل خود چیزی جز ارتعاش نیست.
ایده کنترل ضربان قلب از پژوهشهای مربوط به موسیقیدرمانی الهام گرفته شد. از آنجا که صداهای ریتمیک میتوانند بر ریتم قلب تأثیر بگذارند، پژوهشگران از خود پرسیدند:
آیا میتوان با پرتوهای نوری که با دقت برنامهریزی شدهاند، نوعی «موسیقی نوری» ساخت و از آن برای تنظیم ضربان قلب استفاده کرد؟
هدف آزمایش: سنگریزههای گوش ماهی
گوش اندامی بسیار ظریف و پیچیده است و ساختارهای حساسی دارد که میتوانند ارتعاشات بسیار کوچک را تشخیص دهند.
در بیشتر مهرهداران، یکی از این ساختارها اتولیتها (Otoliths) هستند؛ بلورهای بسیار کوچک و سنگمانندی که عمدتاً از کربنات کلسیم ساخته شدهاند.
حرکت یا صدا باعث جابهجایی این ساختارها میشود و حرکت آنها سلولهای حسی گوش را تحریک میکند.
اما صدا تنها چیزی نیست که میتواند یک جسم بسیار کوچک را به حرکت درآورد.
دانشمندان سالهاست از فناوریای به نام موچین نوری (Optical Tweezers) برای دستکاری ذرات میکروسکوپی استفاده میکنند. این فناوری با استفاده از فشار تابشی نور میتواند نیرویی ایجاد کند که اجسام بسیار کوچک را هل داده یا جابهجا میکند.
اتولیتهای موجود در گوش لاروهای ماهی گورخری نیز بسیار کوچکاند و مهمتر اینکه حرکت آنها بخشی از سازوکار تشخیص صدا و حرکت در این ماهی است.
بنابراین پژوهشگران تصمیم گرفتند آنها را هدف قرار دهند.
وقتی لیزر جای صدا را گرفت
دانشمندان با استفاده از موچین نوری، اتولیتهای منفرد را در گوش ماهیهای گورخری زنده به حرکت نوسانی واداشتند؛ در حالی که همزمان فعالیت مغز آنها را تصویربرداری میکردند.
نتیجه جالب بود:
ناحیههایی از مغز که با شنوایی ارتباط دارند فعال شدند.
این یافته نشان میداد حرکت مکانیکی اتولیتها توسط مدارهای عصبی مرتبط با شنوایی پردازش میشود.
به بیان ساده، پژوهشگران بدون اینکه صدایی وارد گوش ماهی شود، توانستند ساختاری را که در فرآیند شنوایی نقش دارد، مستقیماً به حرکت درآورند.
لیو میگوید هدف اولیه آنها این بود که از تصور معمول «نور برای دیدن و صدا برای شنیدن» فاصله بگیرند و بررسی کنند آیا میتوان کاری کرد که موجودات زنده به نوعی «نور را بشنوند».
البته هنوز نمیتوان با قطعیت گفت ماهی واقعاً نور را به معنای آگاهانه «میشنود».
پژوهشگران نمیتوانند مستقیماً با ماهی ارتباط برقرار کنند و از آن بپرسند چه چیزی را تجربه میکند. اما چیزی که میتوانند اندازهگیری کنند، فعال شدن مراکز عصبی مرتبط با شنوایی است.
اما اتفاق عجیبتر در قلب ماهی رخ داد
پژوهشگران متوجه شدند که وقتی اتولیت ماهی را به حرکت درمیآورند، ضربان قلب ماهی افزایش پیدا میکند.
در یکی از آزمایشها، ضربان قلب ماهی در حالت استراحت حدود ۲ ضربه در ثانیه بود. هنگام تحریک نوری، این میزان به حدود ۲.۷ ضربه در ثانیه رسید و پس از پایان تحریک، بهتدریج دوباره به سطح اولیه نزدیک شد.
در مجموع، حرکت هدفمند اتولیتها توانست ضربان قلب را حدود ۵۰ درصد افزایش دهد.
دانشمندان حتی «موسیقی نوری» ساختند!
از آنجا که موچینهای نوری به پژوهشگران اجازه میدادند حرکت اتولیت را با دقت بسیار زیادی کنترل کنند، آنها توانستند الگوهایی شبیه موسیقی ایجاد کنند.
با تغییر دادن:
* دامنه ارتعاش برای شبیهسازی بلندی صدا
* فرکانس برای شبیهسازی زیر و بمی صدا
* زمانبندی و الگوی ارتعاشات برای ایجاد ریتم
پژوهشگران توانستند محرکهایی تولید کنند که ویژگیهایی مشابه موسیقی داشتند.
و همین موضوع آزمایش را وارد مرحلهای حتی عجیبتر کرد.
آیا «موسیقی نوری» میتواند ضربان قلب نامنظم را اصلاح کند؟
پژوهشگران از خود پرسیدند اگر نور میتواند از مسیر شنوایی بر ضربان قلب تأثیر بگذارد، آیا ممکن است بتوان از همین روش برای اصلاح ریتمهای غیرطبیعی قلب نیز استفاده کرد؟
برای آزمایش این ایده، آنها با استفاده از دارو در لاروهای ماهی گورخری، سه نوع اختلال ریتم قلب ایجاد کردند و سپس آنها را با تحریک نوریِ شبیه موسیقی تحت تأثیر قرار دادند.
نتیجه چه بود؟
در ماهیهایی که ضربان قلبشان بهطور غیرطبیعی کند شده بود، تحریک نوری ضربان را تقریباً به حالت طبیعی برگرداند.
در ماهیهایی که هماهنگی بین حفرههای بالایی و پایینی قلب از بین رفته بود، هماهنگی طبیعی در ۶ مورد از ۷ ماهی دوباره برقرار شد.
همچنین در ماهیهایی که ضربان قلبشان با وقفههای غیرطبیعی قطع میشد، ریتم طبیعی در ۵ مورد از ۷ ماهی بازگشت.
حتی شگفتانگیزتر اینکه در برخی ماهیها، این بهبود پس از پایان تحریک نوری نیز ادامه داشت.
چرا این یافته دانشمندان را شگفتزده کرد؟
لیو میگوید چیزی که بیش از همه آنها را شگفتزده کرد این بود که این روش نهتنها توانست ضربان قلب را تنظیم کند، بلکه آریتمیهای قلبی ایجادشده توسط دارو را نیز تا حدی اصلاح کرد.
اینکه یک محرک کاملاً نوری، که از طریق مسیر شنوایی به بدن وارد میشود، توانسته ریتم طبیعی قلب را در یک مدل بیماری بازگرداند، فراتر از انتظار اولیه پژوهشگران بود.
این یافته میتواند در آینده مسیرهای جدیدی برای درمان برخی بیماریها باز کند.
اما هنوز تا درمان انسانی فاصله زیادی داریم
البته نباید از این آزمایش نتیجه گرفت که دانشمندان به درمان جدیدی برای آریتمی قلبی انسان دست یافتهاند.
این پژوهش فعلاً فقط یک اثبات اولیه مفهوم است و روی ماهی گورخری انجام شده است.
هنوز مشخص نیست دقیقاً چگونه سیگنالهای عصبی ایجادشده در مسیر شنوایی باعث تغییر ریتم قلب میشوند. همچنین باید بررسی شود که آیا این روش در حیوانات بزرگتر و در نهایت انسان نیز قابل استفاده خواهد بود یا خیر.
لیو تأکید میکند که پژوهش آنها یک پاسخ قطعی نیست، بلکه دعوتی برای بررسی یک مرز علمی جدید در نقطه تلاقی فناوریهای نوری، علوم اعصاب شنوایی و فیزیولوژی قلب است.
خلاصه در یک جمله
دانشمندان با استفاده از لیزر، اتولیتهای گوش ماهی گورخری را مانند یک ساز بسیار کوچک به ارتعاش درآوردند؛ این تحریک مسیرهای شنوایی مغز را فعال کرد و در نتیجه توانست ضربان قلب ماهی را تغییر دهد و حتی برخی آریتمیهای ایجادشده با دارو را اصلاح کند.