科学家发现光的形状改变了我们的视力
飞秒激光脉冲到达眼睛的艺术家视角。图片来源：© Scientify – UNIGE
UNIGE 的科学家已经表明，视网膜对光的反应不仅取决于眼睛感知到的光的强度，还取决于它的时间形状和颜色组织的顺序。
视觉是一个复杂的过程，已被许多学科——物理学、生物化学、生理学、神经学等——成功破译。视网膜捕捉光线，视神经将电脉冲传送到大脑，最终产生图像感知。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，速度非常快。但这一决定性步骤的分析是在实验室中对溶液中的分子进行的。
日内瓦大学 (UNIGE) 的科学家与 EPFL 和瑞士日内瓦大学医院 (HUG) 合作，在老鼠身上重现了这项实验，以观察活生物体对光的处理过程的复杂性。这项非侵入性研究表明，光能本身并不能定义视网膜的反应。它的形状——短或长——也会影响发送到大脑以形成图像的信号。这一发现发表在《科学进展》杂志上，为视觉、诊断和可能的新治疗可能性开辟了一个新的研究领域。
由于多个学科的合作，视觉的细胞机制已被成功研究。“在眼睛中，视觉的第一阶段基于一种小分子——视网膜——它在接触光时会改变形状，”UNIGE 理学院应用物理系研究员、第一作者 Geoffrey Gaulier 解释说的研究。“当视网膜改变其几何形状时，它会触发一种复杂的机制，导致视神经中产生神经冲动。”
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这个过程在眼睛感知到光的那一刻和大脑解码它的那一刻之间需要一些时间。物理学家观察了链中的第一个分子——视网膜，看看它改变形状需要多长时间。他们在比色皿中分离出这种分子，并对其进行激光脉冲以测试其反应速度。令他们大吃一惊的是，分子在大约 50 飞秒内发生了反应！
“相比之下，一飞秒与一秒相比，相当于一秒与宇宙的年龄相比，”UNIGE 物理系教授、该研究的最后一位作者让-皮埃尔沃尔夫指出。“这太快了，以至于我们想知道这个分子是否只有在被分离时才能达到这种速度，或者它是否在复杂的活有机体中具有相同的速度。”
光强度和形状决定了眼睛的敏感度
为了详细研究视觉的第一阶段，科学家们请来了生物学家，特别是 UNIGE 科学和医学学院的教授 Ivan Rodriguez 和 Pedro Herrera，他们分别放置了隐形眼镜并对老鼠进行了视网膜电图检查。“这种完全非侵入性的方法可以测量发送到视神经的信号强度，”Jean-Pierre Wolf 继续说道。当光线照射到视网膜上时，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，这个阶段的发生速度与分离分子时相同！
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该团队通过随着时间的推移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，有时很短，等等，”Geoffrey Gaulier 解释道。事实上，改变形状不应该引起视网膜反应的任何变化，因为直到现在人们认为只有眼睛捕获的光子数量起作用。“但这种情况并非如此！” 日内瓦的研究人员说。这一结果可以借助 EPFL 的 Ursula Röthlisberger 小组进行的计算机模拟来解释。
科学家们观察到，即使光能相同，眼睛也不会根据光的形状做出同样的反应。“我们还发现，眼睛的反应会根据颜色变化的顺序而有所不同，例如在时间彩虹中，即使它们非常迅速地相互跟随，”Jean-Pierre Wolf 继续说道。简而言之，视网膜根据光的形状认为有或多或少的光，而能量是相似的，因此根据其反应向大脑发送更强或更弱的电流。
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，它开辟了一个新的视觉研究领域。“现在我们知道光的形状在感知中发挥作用，我们可以利用这些新知识让眼睛以不同的方式工作，”Jean-Pierre Wolf 建议道。现在可以开发用于诊断或可能治疗眼部弱点的新可能性的调查领域。