كما تسير حياتنا اليومية على الكهرباء، فإن الجسم البشري يعمل على الكهرباء. عندما تنام أو تستريح بهدوء، ينبض قلبك ما بين 60 إلى 100 مرة في الدقيقة. عندما تغضب أو تمارس الرياضة أو تخاف، ينبض بشكل أسرع. ما الذي يساعد ملايين خلايا القلب على الانقباض بشكل منتظم مراراً؟ وما الذي يحفز التغيير في وتيرة ذلك؟ إنها الكهرباء.
تعمل العديد من خلايانا كمولدات صغيرة للشحنات الكهربائية. وتعمل معاً على تشغيل الأنظمة التي تحافظ على استمرار أجسامنا. من خلال التعرف على المزيد عن هذه الإشارات الكهربائية الصغيرة، يتجه العلماء إلى إدخال علاجات جديدة عندما لا يعمل الجسم كما ينبغي.
الأيونات تشحن الخلايا
يأتي تنظيم ضربات القلب من مجموعة من الخلايا أصغر من حبة البن. تقع في الجزء العلوي من الحجرة اليمنى العلوية للقلب. تسمى العقدة الجيبية الأذينية، وهي جهاز تنظيم ضربات القلب.
تدفع المضخات الطبيعية الذرات المشحونة - الأيونات - عبر أغشية الخلايا. تعمل حركتها على تركيز أنواع مختلفة من الأيونات داخل وخارج كل خلية. يحمل الأيون شحنة كهربائية ضئيلة. لذا فإن تركيز الكثير من الأيونات على جانب واحد من غشاء الخلية، سيعطي هذا الغشاء شحنة كهربائية إجمالية. توجد أيونات موجبة على جانبي هذه الأغشية. تضخ خلايا العقدة الجيبية الأذينية أيونات صوديوم مشحونة إيجابياً. ونتيجة لذلك، يكون الجزء الخارجي من غشاءها مشحوناً بشحنة موجبة إجمالية.
تضخ خلايا العقدة الجيبية الأذينية أيضاً أيونات البوتاسيوم المشحونة إيجابياً إلى داخلها. لكن أيونات البوتاسيوم تتنافس مع العديد من الجزيئات الأخرى داخل الخلية، والتي تحمل معظمها شحنة سالبة. لذا، في حالة الراحة، تكون خلية تنظيم ضربات القلب مشحونة بشكل سلبي من الداخل أكثر من الخارج.
لتحفيز ضربات القلب، تفتح خلايا تنظيم ضربات القلب في العقدة الجيبية الأذينية قنوات في موقع واحد في أغشيتها. نظراً لوجود المزيد من أيونات الصوديوم في الخارج، فإن هذه الأيونات سوف تندفع داخل الخلية. إنها تحاول موازنة الشحنات الكهربائية على كلا الجانبين. يغير تدفق الأيونات الشحنة الكهربائية عبر الغشاء.
يؤدي العمل المستمر لهذه القنوات إلى إرسال موجات من الشحنة الكهربائية المتغيرة على طول الخلية. يشير العلماء إلى هذه الموجة باسم "جهد الفعل".
جهاز تنظيم ضربات القلب الطبيعي
تنبض جميع الخلايا في العقدة الجيبية الأذينية دفعة واحدة. كل نبضة جماعية تشبه نبضات المسرع. يوضح الطبيب المتخصص في أمراض القلب إدوارد لاكاتا أن هناك ساعتين صغيرتين تحددان السرعة التي ينبض بها هذا المسرع.
إحدى هاتين الساعتين هي تلك النبضة (أو جهد الفعل). بعد كل نبضة، يجب إعادة ضبط أغشية الخلايا في العقدة الجيبية الأذينية. وللقيام بذلك، يرسل الجسم الأيونات عبر غشاء كل خلية إلى جانبها الأولي. يمكن أن تتسارع نبضات العقدة الجيبية الأذينية أو تبطئ. لكن سرعتها محدودة بوقت إعادة ضبط الغشاء - والذي يتراوح من حوالي 0.1 إلى 0.5 ثانية.
إن الأيونات الرئيسية في جهد الفعل هي الصوديوم والبوتاسيوم. ولكن في القلب، تلعب أيونات الكالسيوم أيضاً دوراً في تحديد الوقت، كما يلاحظ لاكاتا.
عندما يرتفع عدد هذه الأيونات الهاربة بدرجة كافية، تنفتح قنوات الأيونات في غشاء الخلية. وهذا يؤدي إلى تحفيز جهد الفعل. لاحقاً، يرسل الجسم أيونات الكالسيوم هذه مرة أخرى إلى التخزين. يعمل طول الوقت الذي يستغرقه هذا كنوع ثانٍ من الساعة. معاً، تحافظ الساعتان على عقدة الجيب الفكي لديك لتوليد نبضات كهربائية جديدة بمفردها - وتتأكد من أنها تحافظ عليها بوتيرة صحية.
توقف عن العمل
لسوء الحظ، قد تسوء الأمور أحياناً. فقد لا تنطلق الخلايا في العقدة الجيبية الأذينية في الوقت المحدد. وفي بعض الأحيان قد لا تنطلق على الإطلاق. وفي هذه الحالات، قد يقوم الأطباء بتثبيت جهاز يعمل بالبطارية ليعمل كجهاز تنظيم ضربات القلب الرئيسي. ويرسل الجهاز نبضات دقيقة موقوتة إلى العقدة الجيبية الأذينية لإبقائها تعمل.
إذا توقفت هذه العقدة بشكل متقطع، فسيحتاج القلب إلى جهاز تنظيم ضربات قلب خاص، كما يقول لاكاتا. وهذا الجهاز "لا يعمل إلا إذا كانت هناك حاجة إليه". ويمكنه استشعار مدى سرعة عمل العقدة الجيبية الأذينية ولا يبدأ العمل إلا عندما تعمل هذه العقدة ببطء شديد.
على الرغم من أن العديد من الناس يمكنهم النجاة من النوبة القلبية، إلا أن النوبة تترك ندبة. وعندها لا يعود القلب قادراً على توصيل الإشارات الكهربائية أو الاستجابة لها، ما قد يؤدي إلى اضطراب نبضاته المستقرة.
"رين كي لي" هو جراح قلب وأوعية دموية في معهد أبحاث مستشفى تورنتو العام في كندا. وقد طور هو وفريقه رقعة صغيرة لمرضى النوبات القلبية. هذه الرقعة المصنوعة من مادة هلامية مائية يمكنها توصيل نبضات تنظيم ضربات القلب عبر أنسجة القلب المتضررة حتى لا تتوقف خلايا القلب السليمة عن الانقباض في انسجام.
كما طور فريقه مادة هلامية مائية ثانية. وهي تعزز ضبط الوقت الكهربائي للقلب. كما يوفر هذا الزوج من المواد الهلامية سقالة حيث يمكن لخلايا القلب الجديدة أن تتشبث بها وتنمو وهي في طور التجريب. وفي يوم من الأيام، قد تساعد هذه المواد الهلامية قلوب البشر على الشفاء، مع الحفاظ على تدفق الكهرباء في الوقت اللازم.
الكهرباء في الدماغ
يعتبر الدماغ خلية أخرى للنشاط الكهربائي. بعض خلاياه - الخلايا العصبية - لها ذيول طويلة تسمى المحاور. تعمل هذه المحاور كمسارات تنتقل عبرها الإشارات الكهربائية. هذه الإشارات الكهربائية هي الطريقة التي يعالج بها الدماغ المعلومات وينقلها.
هذه الخلايا العصبية مشحونة بشكل سلبي أكثر من الخارج. عندما تحتاج إشارة كهربائية إلى المرور بين الخلايا العصبية، تنفتح قنوات الأيونات في غشاء الخلية. ما يسمح للأيونات بالتدفق إلى الداخل والخارج - مما يغير الشحنة الكهربائية للخلية العصبية.
الإشارات العصبية
لا ترسل خلية عصبية واحدة الإشارة إلى الدماغ والعكس. تشير طبيبة الأعصاب هيلين مايبرغ إلى أن مجموعات من الخلايا العصبية في الدماغ تنطلق معاً فيما يُعرف بالتذبذبات.
كل تذبذب هو مجموع لإطلاق كل النبضات من قبل الخلايا العصبية في منطقة معينة. تشبه مايبرغ الأمر بجوقة من الخلايا التي تغني معاً. تحتوي بعض الخلايا في هذه الجوقة على أشرطة خاصة من مادة عازلة ملفوفة حول محاورها تسمى غمد الميالين، وتساعد في منع الأيونات من الهروب حتى لا يتضاءل اللحن الكهربائي.
تفصل فجوات صغيرة هذه الأغماد عن بعضها على طول المحور العصبي - ما يمنح كلاً منها مساحته الشخصية. الفجوات غير المغطاة بين أغماد الميالين على محور الخلية العصبية حساسة للغاية للتغيرات الكهربائية، كما تحتوي أيضاً على الكثير من قنوات الأيونات.
إن الإشارة الكهربائية التي تتولد في الخلية العصبية يمكنها أن تتخطى هذه الفجوات بسرعة أكبر بكثير مما لو كانت قادرة على الانتشار فقط على طول المسافة داخل المحور العصبي. كما أنها ترتد على طول الفجوات في الميالين من دون أن تضعف الإشارة. وهذا يسمح للإشارات الكهربائية بالتحرك بالسرعات الفائقة اللازمة لإعلامك بأن الموقد ساخن أو أن إصبع قدمك ارتطم.
ولكن في بعض اضطرابات وأمراض الدماغ، قد يمنع شيء ما تدفق هذا اللحن من الوصول إلى جمهوره المستهدف. ربما تتضرر الخلايا العصبية وأغمادها. أو قد تخرج الخلايا المنتجة للتذبذبات عن المزامنة. وقد تموت بعض مجموعات الخلايا العصبية. وفي هذه الحالات، قد تكون النتائج مروعة.
فعندما تموت بعض الخلايا العصبية في الدماغ، على سبيل المثال، قد تبدأ خلايا أخرى في التذبذب خارج المزامنة. وقد يتلقى الجسم إشارات متضاربة. على سبيل المثال، قد لا يعرف متى يبدأ الحركة. وقد يتسبب هذا في ارتعاش أطراف شخص ما أو قد يكافح للمشي والوصول إلى الأشياء. هذه مثلاً هي أعراض لمرض باركنسون.
العلاج بالتحفيز الكهربائي
يقوم الأطباء أحياناً بزرع أقطاب كهربائية في عمق الدماغ لعلاج مرض باركنسون. وتوضح مايبرغ أن الإشارات الكهربائية عالية التردد من تلك الأقطاب ستقطع التذبذبات المسببة للمشكلة. والآن يستطيع المرضى التحرك بشكل طبيعي مرة أخرى، على الأقل لبضع سنوات.
بدأت مايبرغ وزملاؤها في تطوير تحفيز مماثل للدماغ العميق للأشخاص المصابين بالاكتئاب. يمكن للأدوية أو العلاجات الأخرى أن تساعد بعض المصابين بالاكتئاب. لكن أشخاصاً آخرين لا يستجيبون جيداً لهذه العلاجات.
اشتبهت مجموعة مايبرغ في أن مقاومة المرضى للعلاج قد تكون بسبب تذبذبات كهربائية معيبة في أدمغتهم. لاختبار ذلك، أرسل فريقها إشارات كهربائية عبر أقطاب كهربائية مزروعة في موقع خلف جسر الأنف مباشرة. وقد أدى هذا إلى تحسين مزاج بعض المرضى. في العام الماضي، حقق الفريق نجاحاً أكبر من خلال تحفيز المادة البيضاء القريبة (الخلايا العصبية المغطاة بالميالين).
تقول: "عندما تجد المكان الصحيح، وتحقن الشحنة، فإنك تقاطع (هذا الإطلاق غير الطبيعي) على الفور".
صدمة في العظام
تستجيب العظام أيضاً للكهرباء. يعتقد الكثير من الناس أن العظام "خاملة نوعاً ما"، كما يقول غريغ وول من جامعة ماكماستر. الأشياء الخاملة سلبية. لذا إذا كانت العظام خاملة، فإنها ستحملنا بشكل سلبي وتعمل كمكان لربط العضلات. لكن أنسجة العظام يمكن أن تتكيف، أو تتغير، كثيراً. يقول وول إن استشعار الكهرباء هو المفتاح لذلك.
وعظامنا تحت ضغط مستمر. ويأتي ذلك بسبب الحمولات الثقيلة. فأنت تضع حملاً ميكانيكياً على هيكلك العظمي في كل مرة ترفع فيها حقيبة ظهر كبيرة أو تمشي. يلاحظ وول أنه مع كل إجهاد، "تتشكل شقوق صغيرة وتتقدم عبر العظام".
بمرور الوقت، تتراكم هذه الشقوق الصغيرة. ونفس الشيء يحدث للعديد من المواد الهيكلية الصلبة الأخرى. فكر في المحاور في عربات السكك الحديدية، والجسور التي نقود سياراتنا فوقها. مع مرور الوقت، قد يؤدي الضغط الناتج عن هذه الأحمال الثقيلة إلى تآكل المواد الداعمة. وفي النهاية، سوف تحتاج هذه المواد إلى الإصلاح عن طريق إزالتها أو إخراجها واستبدالها.
ولكن الجسم لا يستطيع أن يبني عظمة جديدة بالكامل عندما تتآكل. لكن يستطيع أن يكسر الخلايا المتضررة ويستبدلها حول تلك الشقوق.
يتكون العظم من ثلاثة أنواع رئيسية من الخلايا. النوع الأول - الخلايا الهادمة للعظم - وهي الخلايا التي تبتلع العظام، وتكسر قطع العظام القديمة المهترئة وتعيد امتصاصها. والنوع الثاني - الخلايا البانية للعظم ـ تبني مادة عظمية جديدة حيثما تكون هناك حاجة إليها. وبمرور الوقت، يتحول هذا النوع الثاني إلى النوع الثالث، خلايا العظام الحقيقية ـ الخلايا العظمية.
في خمسينيات القرن العشرين، أدرك العلماء أن سطح العظم الذي يتعرض لضغط الوزن يحمل شحنة سالبة قليلاً. فإذا انثنى العظم قليلاً (ليس بالقدر الكافي للكسر)، فإنه يطور شحنة موجبة قليلاً. وعندما لا يحمل العظم أي وزن، فإنه لا يحمل أي شحنة.
وهذا يعني أن العظم كهربائي ضغطي. فهو ينتج شحنة كهربائية عند ثنيه أو ضغطه. وقد رأى وول هذا في عظم البقر الذي حصل عليه فريقه من محل بقالة.
بعد تقطيعه إلى أشكال دومينو صغيرة، وضع فريقه أقطاباً كهربائية على كل جانب من قطع العظام تلك. ويقول: "عندما قمنا بثني (أحجار الدومينو العظمية)، تمكنا من توليد ارتفاع طفيف في الشحنة التي انخفضت ببطء بمرور الوقت".
هذه الشحنات هي التي تحفز العظام على إجراء الإصلاحات وزيادة قوتها. فالعظم المحمل بشحنة سالبة يحفز الخلايا العظمية على إنتاج المزيد من العظام. والعظم المحمل بشحنة موجبة يحفز الخلايا الهادمة للعظم على تكسير العظام.
ويعمل العلماء على إيجاد طريقة لاستخدام هذه الشحنات الكهربائية للحفاظ على قوة العظام، حتى عندما لا يكون هناك أي حمل على عظامنا.
إن كل هذه الإشارات الكهربائية التي تنتقل عبر أجسادنا ليست مجرد نزوات. فلا يمكننا أن نعيش من دونها. ولن تنبض قلوبنا، ولن تعمل أدمغتنا، وسوف تنكسر عظامنا. ولكن باستخدام الصدمات الكهربائية المناسبة، قد يتمكن العلماء من تحسين أمزجة الناس، ومساعدة قلوبهم على النبض بشكل متزامن.
----