Zobaczyć niewidzialne

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Naukowcy z natury są ciekawscy i często zaglądają tam, gdzie nie powinni. Z takiego zaglądania czasami rodzą się odkrycia, które dosłownie poszerzają horyzonty. Dzięki wspólnej pracy badaczy z zespołu prof. Wojtkowskiego z IChF PAN, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, Bałtyckiego Instytutu Technologicznego z Gdyni i amerykańskich kolegów udało się niedawno wykorzystać praktycznie fenomen widzenia światła, które teoretycznie powinno być dla naszego oka niewidzialne. Oparte na zjawisku widzenia dwufotonowego urządzenia już działają, usprawniając diagnostykę chorób siatkówki.

Zaczęło się od naukowego zadziwienia. Dlaczego podczas patrzenia w urządzenie emitujące podczerwień widać zieloną poświatę? Takie dziwne zjawisko zaobserwowali moi współpracownicy, gdy montowali w pracowni na UMK w Toruniu urządzenie do obrazowania - opowiada prof. Wojtkowski. Przyszli do mnie z ciekawym spostrzeżeniem, że chociaż używają podczerwieni, której już nie powinno być widać, to mimo wszystko coś widzą; takie słabe, zielonkawe światełko.

A po co zaglądali w montowany przyrząd?

No cóż - śmieje się profesor - taka już ludzka natura i ciekawość. Zawsze jak się coś montuje, to się zagląda do środka. Co prawda zaglądanie w takim przypadku jest ryzykowne, bo źródłem podczerwieni jest laser, ale przy zachowaniu odpowiedniej mocy, zgodnej z normami, zapewniam, że jest to bezpieczne.

Pierwsza myśl naukowców była taka: laser jest popsuty i oprócz podczerwieni (fali głównej, o długości podobnej do tej, która była wykorzystywana w starych pilotach do telewizorów) generuje dodatkowo zielone światło. Rozebrali więc laser i drobiazgowo sprawdzili, co mogło się zepsuć. Niczego nie znaleźli. Wtedy ktoś wpadł na prosty, acz genialny pomysł, żeby przed oko obserwatora włożyć filtr, który by światło widzialne odciął. Znaleźli dobre filtry, włożyli je między laser a oko i... ku ich zaskoczeniu efekt pozostał.

Trochę nam szczęki opadły, bo to znaczyło, że urządzenie jest w porządku, za to coś dziwnego dzieje się w oku - opowiada profesor. Na szczęście był pod ręką inny bardzo dobry laser, który generował ultrakrótkie impulsy światła i można było w nim regulować długość fali, oczywiście w zakresie podczerwieni. Zaczęliśmy zmieniać tę długość i okazało się, że każda wywołuje w oku inny efekt barwny - widzimy różne kolory! I to już nie słabo, tylko bardzo wyraźnie.

Jak to z takimi odkryciami bywa, okazało się, że ludzie to wcześniej obserwowali, tylko nikt nie wpadł na to, jak to wyjaśnić albo nie umiał tego poprawnie zinterpretować. To niespodziewane widzenie kolorów okazało się widzeniem dwufotonowym.

Szczęśliwie w tamtym czasie przyjechał do nas prof. Krzysztof Palczewski, który jest biochemikiem, pracuje w USA i zajmuje się procesami widzenia - opowiada prof. Wojtkowski. Bardzo zaciekawiło go nasze odkrycie. Na tyle, że zorganizował grupę ekspertów z różnych dziedzin (w tym nas), żeby wyjaśnić mechanizm takiego widzenia. Były testy na myszach (w tym modyfikowanych genetycznie), elektrofizjologiczne, na wyizolowanych białkach... Kasia Komar i Patryk Stremplewski z mojego zespołu zrobili takie na ludziach, bo my najlepiej znamy się na pomiarach na żywych oczach - wyjaśnia profesor. Po zebraniu wszystkich wyników okazało się, że mamy do czynienia właśnie z widzeniem dwufotonowym.

Polega ono na tym, że siatkówka otrzymuje porcję energii dwukrotnie niższą od minimalnej wymaganej do reakcji komórek światłoczułych, ale bardzo skoncentrowaną w czasie i przestrzeni; i jeśli impuls się powtarza, to obiekt, np. człowiek, widzi ją tak, jakby była dwukrotnie wyższa. To trochę tak, jakbyśmy rzucali w planszę dwa razy w to samo miejsce małymi kulkami plasteliny. Odcisk obu zleje się na planszy w jeden większy, widoczny. Można też wyobrazić sobie, że trafilibyśmy takimi kulkami w głowę. Żadnej z osobna byśmy nie poczuli, ale podwójna porcja mogłaby nam już zrobić siniaka. To właśnie dzieje się w świecie kwantowym, warunek jest taki, że trzeba te kulki rzucać odpowiednio blisko siebie i w odpowiednio krótkim czasie. Tak, żeby one się w zasadzie same ze sobą zlepiały w większe grochy. Fizycy nazywają to optycznym efektem nieliniowym. Takie efekty są znane dla wielu materiałów, ale nieoczywistym jest, że mogą wystąpić dla dawek, które są bezpieczne np. dla oka.

Ja sam do chwili, gdy się tym zajęliśmy, uważałem, że absorpcja dwufotonowa w oku może zajść tylko raz (w zasadzie raz w jednym, raz w drugim) - śmieje się profesor - i potem już żaden efekt nie będzie w tych oczach widziany. Na szczęście nie miałem racji.

Z drugiej strony w oku jest całe mnóstwo pośredników między tym, co absorbuje energię fotonów (czyli komórkami siatkówki), a tym, co wprowadza obraz do świadomości. Sama absorpcja fotonów nie gwarantuje jeszcze, że coś zobaczymy. Musi zareagować szereg białek. Okazuje się jednak, że ten proces zachodzi. A do czego to może być przydatne? Np. do sprawdzenia, czy oko się psuje. Z wiekiem albo przy początkach jakiejś choroby, powiedzmy zwyrodnienia plamki żółtej (AMD), widzi się ten efekt gorzej. Stąd pomysł na nową generację aparatów do mikroperymetrii, czyli sprawdzania, czy widzimy i co widzimy w różnych punktach na siatkówce.

Badacze pomyśleli, że być może dzięki efektowi dwufotonowemu można poprawić czułość takich urządzeń albo badać próg widzenia światła podczerwonego. Dzięki spółce AM2M będącej spin-outem z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu zaczęliśmy już wytwarzać nowe mikroperymetry - chwali się profesor. W tej chwili na świecie są trzy, a w kraju czwarty i piąty, i szósty. W Heidelbergu już rutynowo badają pacjentów.

Tym, co przemawia na korzyść nowego odkrycia i powstałych na jego bazie urządzeń, jest też to, że z wiekiem ludzkie oko robi się coraz bardziej mętne i bardziej rozprasza fale świetlne. Tymczasem zasada fizyki mówi, że im dłuższa fala, tym słabiej się rozprasza. Podczerwień pozwoli więc dokładniej zbadać dno oka także u osób z zaawansowaną zaćmą albo mętami w ciele szklistym. Naukowcy mają nadzieję, że dzięki ich urządzeniu będziemy mogli wcześniej wykrywać zmiany czynnościowe siatkówki, głównie AMD, ale też lepiej zrozumieć proces widzenia. To zresztą cele nowej MAB (Międzynarodowej Agendy Badawczej) działającej na rzecz poprawy wzroku ludzi starszych.

W ramach naszego MAB spróbujemy zobiektywizować ten proces, czyli przejść z trochę subiektywnej perymetrii do obiektywnej oftalmoskopii - wybiega w przyszłość profesor - takiej z wykorzystaniem holograficznej tomografii optycznej. Będziemy analizować sygnały czynnościowe na zasadzie podobnej jak w tympanometrii. To pozwoli nam stwierdzić, czy pacjent widzi i co widzi, bez informacji zwrotnej z jego strony, nawet gdy jest nieprzytomny albo nie może się komunikować np. po udarze.

Dzięki pracom pani dr Katarzyny Komar zaobserwowaliśmy jeszcze coś, czego na razie nie umiemy wyjaśnić - dodaje prof. Wojtkowski. Mianowicie widzenie w podczerwieni różni się od tego normalnego. Okazuje się że czopki inaczej reagują niż pręciki; wydają się bardziej czułe. Teraz próbujemy zrozumieć, z czego to wynika.

Nam, potencjalnym pacjentom, pozostaje kibicować badaczom, by dzięki ich odkryciom nasze oczy służyły nam lepiej i dłużej.

Prof. Maciej Wojtkowski jest szefem w projekcie CREATE ERA.

« powrót do artykułu

[Warai Otoko 32]

Bardzo ciekawe. Zastanawiam się czy efekt widzenia dwufotonowego może wystąpić również dla światła nie-laserowego? 

[rysiek 17]

Super artykuł! czyta się go z ogromnym zaciekawieniem.

[Ergo Sum 36]

A nie jest to zwyczajny efekt fali harmonicznej  - "alikwot" światła ? W przypadku fali mieszanej tony harmoniczne się tłumią. W przypadku fali o bardzo wąskim spektrum fale składowe będą się wzmacniać.

Edytowane 11 grudnia 2019 przez Ergo Sum

[Warai Otoko 32]

3 minuty temu, Ergo Sum napisał:

A nie jest to zwyczajny efekt fali harmonicznej  - "alikwot" światła ? W przypadku fali mieszanej tony harmoniczne się tłumią. W przypadku fali o bardzo wąskim spektrum fale składowe będą się wzmacniać.

Ale to dotyczy chyba tylko amplitudy fali, a barwa zależy od długości/częstotliwości a tej nie możesz uzyskać poprzez interferencję. Zależy ona od energii lasera. 

[ksalem 0]

53 minuty temu, Warai Otoko napisał:

Zależy ona od energii lasera

Częstotliwość fotonów raczej zależy od źródła lasera (atomów lub cząstek nawet elementarnych). Energia fotonów zależy od częstotliwości a moc od ilości/gęstości.

[Anna Błońska 37]

Pomyślałam, że odpowiedzi na przynajmniej część pytań będzie można znaleźć w oryginalnej pracy z Biomedical Optics Express. Wklejam link do PDF-a:
https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/A3FE38B5-D59E-BB07-17204819E2842333_416646/boe-10-9-4551.pdf?da=1&id=416646&seq=0&mobile=no

[tempik 83]

Fajny artykuł. Nie suche fakty przetłumaczone translatorem a opowieść z elementami fabuły. oby takich więcej.

Sam efekt dobrze jest opisany w artykule. czyli sensory w oku są za wolne żeby w spójnym laserowym świetle wychwycić pojedyncze uderzania fotonów i zdarza się im zarejestrować 2 szybkie uderzenia fotonu jako jedno o energii 2 razy większej od pojedynczego a to już da sygnał dla mózgu. to tak jakby rzucać piłką w jakąś  wagę sprężynową, jak rzuci się wolno jedną piłką za drugą to wskazówka pokaże wagę jednej piłki po czym sprężyna szybko cofnie wskazówkę na 0 itd. a jak szybko się rzuci, niemal jednocześnie 2 piłki to bezwładność sprężyny spowoduje że druga piłka uderzy zanim wskazówka wróci na 0 i wskazanie będzie wyższe