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这种虾厉害了!指导肿瘤医生“看清”癌细胞

蛮婉容152

这是一只螳螂虾:

我们对螳螂虾最了解的是它有一双拳头,出拳速度快如闪电。

到底有多快,快如压缩后释放的弹簧,只需要1-2毫秒就能完成打孔。以这种速度,神经反馈不足以改变弹出的拳头。

在慢动作中,螳螂虾出拳并击碎螳螂虾的壳达几分钟。

(资料来源:恐异症)

但今天我们的主题不是它的拳头,而是它能救人的眼睛。

螳螂虾的眼睛是怎么救人的?听起来有点疯狂。

别急,我先介绍一下螳螂虾的眼睛。

螳螂虾不仅拥有地球上最快的拳头,而且拥有地球上最复杂的视觉系统。像昆虫一样,它使用复眼。

它的复眼有三层感光细胞,每层细胞对不同波长的光有反应。螳螂虾体内有16种不同类型的光感受器,可以同时接收和处理不同波长的光。请注意,它是在同一时间。

螳螂虾的眼睛,dPR(背侧外周区)是背部的外周区域,vPR(腹侧外周区)是腹部的外周区域,大致对称;中间带区域是中间带区域。

(图片来源:参考文献2)

三种光感知用于检测紫外光,九种用于检测可见光,其余用于感知红外光。

相比之下,人类的光感受器只有红、绿、蓝三种,所以人类的可见光范围并不比螳螂虾小一点。

这些感光细胞可以独立处理信息,也可以相互并行。光敏细胞的输出可以直接从视网膜传递到大脑,而无需神经比较。

这意味着大脑可以同时看到可见光、紫外光和红外光。

在癌组织切除中,有时需要荧光蛋白来标记癌细胞,这使得癌组织切除更加方便。这时会用医用摄像头进行拍照,并实时显示在手术监视器上,方便医生操作。

可见光荧光标记但癌变的组织

(来源:《自然》杂志)

荧光蛋白用可见光和近红外光标记,这是两种不同波长的光。不同的荧光可以标记不同的组织。生物的某些部分对可见光有很好的吸收和散射,而另一些部分对包括近红外光在内的非可见光有很好的吸收和散射。

癌组织的位置不同,使用的标记方法也不同。但有时候情况比较复杂,同时需要两种荧光标签。

这时,传统的照相设备就不起作用了,因为普通的照相设备要么可以拍可见光,要么可以拍红外光。摄影设备的“感光细胞”,即它的传感器限制了它的感光范围。

需要注意的是,传统摄影设备并非没有可以处理可见光和近红外光的传感器。早在2017年,一家摄影设备制造商就开发出了世界上第一个可以捕捉可见光和近红外光的CMOS传感器。

能够发射可见光和近红外光的传感器

(资料来源:tokiox)

但是,如果你想在显示器上同时看到近红外光和可见光,你仍然不能依靠这个传感器。因为它只能在两种模式之间切换,要么是可见光模式,要么是近红外光模式。

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  可以切换两种模式,在可见光和近红外光下看同一物体

  (图片来源:tokiox)

  而我们的主角,螳螂虾的出现,给了科学家灵感。为外科医生同时看到可见光和近红外光提供了可能性。

  研究作者

  (图片来源:参考文献1)

  Steven Blair是 Viktor Gruev实验室的研究生,他开发了一种和螳螂虾一样的,有3层感光材料的传感器。一共可以感知6种颜色的光波,红绿蓝和3种近红外光。

  当然重点是,这颗传感器在顶层放置了两种滤光材料,就和螳螂虾一样,可以同时独立平行处理6种颜色光。

  这样一来,外科医生就可以用一台摄像机在同一画面下观察到可见光标记和近红外光标记的癌组织,一下就方便了很多。

  研究人员在一次乳腺癌肿瘤切除手术中测试了他们的仿生成像仪(红色标记)

  (图片来源:Courtesy: S。 Blair et al Science Translational Medicine 2021)

  大自然给我们的科技进步带来了无限的灵感,从仿蜂鸟的高铁的火车头,到运动员的鲨鱼皮泳衣,再到仿海豚的声纳系统,这样的例子数都数不完,而仿螳螂虾复杂的眼睛的成像系统只是其中之一。

  有人曾经好奇,研究那些野生动物有什么用,跟我们人类一点关系都没有,还浪费经费。

  我想现在你应该明白了,大自然永远都是我们最好的老师。

  参考文献:

  1.Blair S, Garcia M, Davis T, et al。 Hexachromatic bioinspired camera for image-guided cancer surgery[J]。 Science Translational Medicine, 2021, 13(592)。

  2。张旭, 金伟其, 裘溯。 螳螂虾视觉成像的特点及其仿生技术研究综述[J]。 红外技术, 2016, 38(2): 89-95。

  3.https://www.camgle.com/news/zixun/20170213/6666.html

  4.http://tokiox.com/wp/%E3%82%AD%E3%83%A4%E3%83%8E%E3%83%B3%EF%BC%9Acmos%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5%E3%83%BC%EF%BD%A4global-shutter%E6%90%AD%E8%BC%89%EF%BC%9A%E5%8F%AF%E8%A6%96%E5%85%89%EF%BD%A5%E8%BF%91%E8%B5%A4%E5%A4%96/?lang=zh

  本文转自中国科普博览

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