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《光的形状》重建了我们对视觉的理解

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日内瓦,2021年4月29日-最近的工作表明,这一过程涉及到对愿景很快发生。然而,由于这一步的分析是在实验室环境中对分子进行的,只能得出有限的结论。

现在,来自日内瓦大学(UNIGE)、École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)和日内瓦大学医院的研究人员使用小鼠在体内检查了这一过程。非侵入性研究表明,光能量本身并不能定义反应视网膜当它捕获光。光线的长短形状也会影响发送到大脑形成图像的信号。

这一发现开辟了研究视觉、诊断和潜在治疗可能性的途径。

“在眼睛中,视觉的第一个阶段是基于一个小分子——视网膜——它与光接触就会改变形状,”联合国大学理学院应用物理系的研究员、该研究的第一作者杰弗里·高利尔解释说。“当视网膜改变其几何形状时,它会触发一种复杂的机制,从而在视神经中产生神经冲动。”
艺术家对飞秒激光脉冲到达眼睛的看法。由联合国科学研究所提供。
艺术家对飞秒激光脉冲到达眼睛的看法。由联合国科学研究所提供。

这个过程不是瞬间的。在眼睛感知到光线和大脑解读光线之间有很短的一段时间。研究人员观察了链中的第一个分子,也就是视网膜,看它改变形状需要多长时间。他们将分子隔离在比管中,用激光脉冲测试反应速度。测试显示反应速度约为50飞秒。

“通过比较,一飞秒与一秒的对比相当于一秒与宇宙的年龄的对比,”联合国环境研究组织(UNIGE)教授、论文作者让-皮埃尔·沃尔夫(Jean-Pierre Wolf)说。“这是如此之快,以至于我们想知道,这种分子是否只有在孤立的情况下才能达到这种速度,或者在一个复杂的活体中是否也有同样的速度。”

物理学家呼吁联合国环境规划署科学和医学系教授、生物学家Ivan Rodriguez和Pedro Herrera继续进行实验。研究小组在老鼠身上放置了隐形眼镜并进行了视网膜电图检查。

沃尔夫说:“这种方法是完全无创的,可以测量发送到视神经的信号强度。”

由于电子放大器的作用,当光线接触到视网膜时,研究小组在角膜上观察到一个电压。结果表明,速度与隔离试验相同。研究小组继续改变脉冲的形状。

“我们总是发送相同的能量,相同数量的光子,但我们改变了光脉冲的形状。有时脉搏短,有时长,有时切片,等等,”联合国ige研究员杰弗里·高利尔说。

团队成员最初并不认为改变光的形状会引起视网膜反应的任何变化,只是认为眼睛捕捉到的光子数量起了作用。

“但事实并非如此,”高利埃说。

在乌苏拉Röthlisberger小组进行的计算机模拟的帮助下,该团队能够收集到原因的线索。研究人员观察到,尽管光能是相同的,但眼睛对光的形状并没有做出相同的反应。

沃尔夫说:“我们还发现,眼睛的反应随着颜色变化的顺序而不同,比如在短暂的彩虹中,尽管它们相互跟随的速度非常快。”视网膜根据光线的形状判断光线的强弱,而能量是相似的,因此根据大脑的反应向大脑发送强弱电流。

研究人员认为,这一发现将为视觉领域带来新的研究领域——可能为诊断或治疗弱视带来新的可能性。

这项研究发表在科学的进步(www.doi.org/10.1126/sciadv.abe1911)。

Photonics.com
2021年4月
术语表
视网膜
1.感光膜人类眼睛内部的感光膜2.一种光学字符生成中的扫描机制。
愿景
光照射在眼睛上的过程被感知和评价。
研究与技术 视网膜 光学 愿景 Biophotonics 网膜电图 在活的有机体内 活体动物研究 感知 科学的进步 欧洲 瑞士日内瓦大学 EPFL

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