站长之家- 业界 2021-05-03T11:47:36 +08:00

科学家发现光的形状会改变我们的视觉

据外媒报道,视觉是一个复杂的过程,物理学、生物化学、生理学、神经学等许多学科都成功地解释了这个过程。视网膜捕捉光线、视神经将电脉冲传递给大脑并最终产生对图像的感知。虽然这个过程需要一些时间,但最近的研究表明,视觉的第一阶段即对光本身的感知是非常快的。

但这一决定性步骤的分析则是在实验室中对溶液中的分子进行的。

来自日内瓦大学(UNIGE)的科学家跟EPFL和瑞士日内瓦大学医院(HUG)合作,他们在老鼠身上复制了这个实验以便观察生物在其所有复杂程度上对光的处理。这项非侵入性研究表明,光能量本身并不能定义视网膜的反应。它的形状--长或短--也会影响发送到大脑形成图像的信号。这一发现发表在《Science Advances》上,其开辟了一个新的研究领域,涉及视力、诊断,可能还有新的治疗可能性。

视觉的细胞机制在多个学科的共同努力下得到了成功的研究。“在眼睛中,视觉的第一阶段是基于一个小分子--视网膜--它跟光接触就会改变形状,”UNIGE理学院应用物理系的研究员、该研究的第一作者Geoffrey Gaulier解释称,“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。”

这一过程需要一段时间,其从眼睛感知到光线,此时大脑会其进行解码。物理学家观察了链中的第一个分子--视网膜,看它改变形状需要多长时间。他们将这种分子隔离在试管中并用激光脉冲测试其反应速度。令他们惊讶的是,这个分子在大约50飞秒内就产生了反应。

“通过比较,一飞秒跟一秒的对比相当于一秒跟宇宙年龄的对比,”UNIGE物理组的教授、该研究的最后一位作者Jean-Pierre Wolf指出,“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在一个复杂的活体中是否也有同样的速度。”

为了详细研究第一阶段的视力,科学家们召集了生物学家--特别是UNIGE科学与医学学院的Ivan Rodriguez和Pedro Herrera教授,他们分别在老鼠身上放置了隐形眼镜并进行了视网膜电图测试。“这种方法,是完全无创的,其能使测量发送到视神经的信号强度成为可能,”Jean-Pierre Wolf继续说道。当光线照射到视网膜上时,通过借助电子放大器,他们能够观察到角膜上的电压。他们的结果表明,这一阶段的速度跟分子孤立时相同。

研究小组通过改变脉冲的形状来继续研究。“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。有时脉冲很短,有时很长,有时被切断,等等,”Geoffrey Gaulier解释道。事实上,改变形状不应该会引起视网膜反应的任何变化,因为直到现在,人们一直认为只有眼睛捕获的光子数量起作用。“但事实并非如此!”这位日内瓦的研究人员说道。这一结果可以通过在EPFL的Ursula Röthlisberger组中进行的计算机模拟来解释。

科学家们观察到,尽管光的能量是相同的,但眼睛并不会根据光的形状做出相同的反应。“我们还发现,眼睛的反应随着颜色变化的顺序而不同,例如在短暂的彩虹中,尽管它们相互跟随得非常快,”Jean-Pierre Wolf继续说道。简而言之,视网膜会根据光线的形状判断光线的强弱,而能量是相似的,因此会根据大脑的反应向大脑发送强弱电流。

这一发现是在瑞士国家科学基金会(SNSF) Sinergia项目的背景下做出的,其开辟了视觉研究的新领域。“既然我们知道光的形状在感知中起着重要作用,我们可以利用这一新知识使眼睛以不同的方式工作,”JEAN-Pierre Wolf表示。

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