飛秒激光脈沖到達眼睛的藝術家視角。圖片來源：? Scientify – UNIGE
UNIGE 的科學家已經表明，視網膜對光的反應不僅取決于眼睛感知到的光的強度，還取決于它的時間形狀和顏色組織的順序。
視覺是一個復雜的過程，已被許多學科——物理學、生物化學、生理學、神經學等——成功破譯。視網膜捕捉光線，視神經將電脈沖傳送到大腦，最終產生圖像感知。雖然這個過程需要一些時間，但最近的研究表明，視覺的第一階段，即對光本身的感知，速度非常快。但這一決定性步驟的分析是在實驗室中對溶液中的分子進行的。
日內瓦大學 (UNIGE) 的科學家與 EPFL 和瑞士日內瓦大學醫院 (HUG) 合作，在老鼠身上重現了這項實驗，以觀察活生物體對光的處理過程的復雜性。這項非侵入性研究表明，光能本身并不能定義視網膜的反應。它的形狀——短或長——也會影響發送到大腦以形成圖像的信號。這一發現發表在《科學進展》雜志上，為視覺、診斷和可能的新治療可能性開辟了一個新的研究領域。
由于多個學科的合作，視覺的細胞機制已被成功研究。“在眼睛中，視覺的第一階段基于一種小分子——視網膜——它在接觸光時會改變形狀，”UNIGE 理學院應用物理系研究員、第一作者 Geoffrey Gaulier 解釋說的研究。“當視網膜改變其幾何形狀時，它會觸發一種復雜的機制，導致視神經中產生神經沖動。”
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這個過程在眼睛感知到光的那一刻和大腦解碼它的那一刻之間需要一些時間。物理學家觀察了鏈中的第一個分子——視網膜，看看它改變形狀需要多長??時間。他們在比色皿中分離出這種分子，并對其進行激光脈沖以測試其反應速度。令他們大吃一驚的是，分子在大約 50 飛秒內發生了反應！
“相比之下，一飛秒與一秒相比，相當于一秒與宇宙的年齡相比，”UNIGE 物理系教授、該研究的最后一位作者讓-皮埃爾沃爾夫指出。“這太快了，以至于我們想知道這個分子是否只有在被分離時才能達到這種速度，或者它是否在復雜的活有機體中具有相同的速度。”
光強度和形狀決定了眼睛的敏感度
為了詳細研究視覺的第一階段，科學家們請來了生物學家，特別是 UNIGE 科學和醫學學院的教授 Ivan Rodriguez 和 Pedro Herrera，他們分別放置了隱形眼鏡并對老鼠進行了視網膜電圖檢查。“這種完全非侵入性的方法可以測量發送到視神經的信號強度，”Jean-Pierre Wolf 繼續說道。當光線照射到視網膜上時，借助電子放大器，他們能夠觀察到角膜上的電壓。他們的結果表明，這個階段的發生速度與分離分子時相同！
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該團隊通過隨著時間的推移改變脈沖的形狀來繼續研究。“我們總是發送相同的能量，相同數量的光子，但我們改變了光脈沖的形狀。有時脈沖很短，有時很長，有時很短，等等，”Geoffrey Gaulier 解釋道。事實上，改變形狀不應該引起視網膜反應的任何變化，因為直到現在人們認為只有眼睛捕獲的光子數量起作用。“但這種情況并非如此！” 日內瓦的研究人員說。這一結果可以借助 EPFL 的 Ursula R?thlisberger 小組進行的計算機模擬來解釋。
科學家們觀察到，即使光能相同，眼睛也不會根據光的形狀做出同樣的反應。“我們還發現，眼睛的反應會根據顏色變化的順序而有所不同，例如在時間彩虹中，即使它們非常迅速地相互跟隨，”Jean-Pierre Wolf 繼續說道。簡而言之，視網膜根據光的形狀認為有或多或少的光，而能量是相似的，因此根據其反應向大腦發送更強或更弱的電流。
這一發現是在瑞士國家科學基金會 (SNSF) Sinergia 項目的背景下做出的，它開辟了一個新的視覺研究領域。“現在我們知道光的形狀在感知中發揮作用，我們可以利用這些新知識讓眼睛以不同的方式工作，”Jean-Pierre Wolf 建議道。現在可以開發用于診斷或可能治療眼部弱點的新可能性的調查領域。