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能“看清”癌细胞的超强摄像头,灵感竟然来自一只虾

出品:科普中国

制作:苏澄宇

监制:中国科学院计算机网络信息中心

这是一只螳螂虾:

图片来源:Wikimedia

关于螳螂虾,我们知道得最多的就是,它有着一双出拳快如闪电的拳头。

具体有多快,快到彷佛一根压缩后被释放的弹簧,只需要1-2毫秒时间就可以完成出拳,这个速度下,神经反馈都不足以改变已弹射的拳头。

慢动作下的螳螂虾出拳,击破螳螂虾的壳分分钟的事(图片来源:isolophobia)

不过今天我们的主题并不是关于它的拳头,而是它的那双可以救人的眼睛。

螳螂虾眼睛怎么救人的,听着有点离谱?

不要着急,先听我介绍螳螂虾的眼睛。

图片来源:gycat

螳螂虾除了有着地球上最快的拳头,还有着有地球上最复杂的视觉系统。它和其他昆虫一样,用的是复眼。

它的复眼有3层感光细胞,每层细胞对不同波长的光作出反应。螳螂虾一共有16种不同类型的光感受器,能同时接收处理不同波长的光线。注意,是同时。

螳螂虾的眼睛,dPR(dorsal Peripheral Region)是背部外围区,vPR(ventral Peripheral Region)是腹部外围区,二者大致对称;MB(Mid-Band region)是中间带状区

(图片来源:参考文献2)

其中3种光感受用来探测紫外光,9种用来探测可见光,其余的用来感受红外光。

相比之下,人类的只有3种颜色的光感受器,红、绿、蓝,因此人类的可见光范围和螳螂虾相比,小得不是一星半点。

这些感光细胞可以相互独立平行地处理信息,感光细胞输出不通过神经比较,色彩信息直接从视网膜传到大脑。

这意味着大脑可以同时看到可见光和紫外光以及红外光。

在癌组织切除手术中,有时需要用到荧光蛋白来标记癌细胞,让癌组织切除变得更加方便,这时候会用到医用摄像机拍摄,实时展示在外科手术监视器上,方便医生操作。

可见光荧光标记下但癌组织(图片来源:《自然》杂志)

荧光蛋白的标记有可见光的,也有近红外光的,这是两种不同波长的光。不同的荧光可以标记不同的组织。生物体的一些部分对可见光有较好的吸收和散射,而另外一些部分则对非可见光有比较好的吸收和散射,包括近红外光。

癌组织所在的位置不同,所用的标记方式也不一样。但有时候情况比较复杂,同时需要两种荧光标记。

这时候,传统的摄像器材就不行了,因为一般的摄影器材要么可以拍下可见光,要么可以拍下红外光。摄影器材的“感光细胞”,也就是它的传感器局限了它的感光范围。

要说明的是,传统摄影器材并不是没有可以处理可见光和近红外光的传感器。早在2017年,某摄影器材厂商就开发了全球首款可以捕捉可见光和近红外光的CMOS传感器。

一款可以拍摄可见光和近红外光的传感器(图片来源:tokiox)

但,你想要同时在监视器上同时看到近红外光和可见光,靠这枚传感器还是不行。因为它只能在两种模式下相互切换,要么看到可见光模式,要么看到近红外光模式。

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