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加州理工科学家开发出了可拍摄神经信号传播的新型超快相机

2022-10-10 18:41 · 稿源: cnbeta

无论伸手触摸桌面上的何种物品,大脑都需要花一些时间来分析。但从指尖传导而来的信号,刹那间就可抵达大脑皮层。研究指出,触摸信号的神经传导速度超过 100 英里/小时(160 公里/小时)。而且某些神经信号甚至可以接近 300 mph(约 480 km/h)。现在,加州理工学院的科学家们又介绍了一种新型超快相机,特点是能够记录信号脉冲穿过神经细胞时的镜头。

此外 Caltech 科学家们新开发的这款超快相机,还可以捕捉其它令人难以置信的快速现象的视频,比如电子设备中的电磁脉冲传播。

Bren 医学工程与电气工程教授、Andrew 和 Peggy Cherng 医学工程领导主席、兼医学工程行政主任的 Lihong Wang 指出,这项技术的全称为“差分增强压缩超快摄影”(简称 Diff-CUP)。

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以不同速度、通过不同神经元的电脉冲

Diff-CUP 的运行方式,与王教授的主导的其它“压缩超快摄影”系统类似。其已被证明能够捕获以光速行进的激光脉冲图像,并以每秒 70 万亿帧的速度录制视频。

为了研究神经信号的传播,新研究将它与名为 Mach-Zehnder 干涉仪的设备相结合。干涉仪先将激光束一分为二,仅使其中一束穿过物体、然后通过重新组合光束,来对物体和材料进行成像。

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研究配图 2:Diff-CUP 的相位灵敏度

由于光波受到其穿过的物体的影响,所以不同的材料、就能对其产生不同方式的影响。穿过被成像材料的光束,将使其与另一光束的波不同步。

当光束被重新组合时,不同步的波,便会以显示有关被成像物体的信息的模式,而产生相互干扰(因此被称作“干涉仪”)。

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研究配图 3:有髓轴突中传播的节间电流 / 未编码 Diff-CUP 成像

得益于这种特性,尽管人眼和传统光学显微镜无法看到穿过神经细胞的电脉冲,但这种类型的干涉仪仍可轻松检测。(顺道一提,LIGO 也在用同样的基础理论来探测引力波)

实验中,Mach-Zehnder 干涉仪能够对这些神经脉冲进行成像,而 CUP 相机则以极高的帧速率来捕获图像。

王教授补充道:看到神经信号,是对其产生科学理解的一个重要基础。但受现有成像方法的拖累,此前我们一直难以提升其速度和灵敏度。

与此同时,Caltech 团队还拍摄了电磁脉冲(EMP)的传播照片。可知在某些材料中,EMP 能够以接近光速传播。

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研究配图 4:在 LN 晶体中传播的 EMP 编码的 Diff-CUP 成像

有鉴于此,研究人员试着让电磁脉冲通过铌酸锂晶体 —— 这是一种具有独特光学和电学特性的盐。最终尽管 EMP 以极高的速度穿过该材料,Diff-CUP 相机仍能够对其清晰地成像。

王教授总结道:“对周围神经中的信号传播进行成像,只是迈出了长期研究的第一步。对中枢神经系统中的实时信号交通进行成像将更加重要,因其有助于阐明大脑的确切工作方式”。

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