Протяни руку прямо сейчас и коснись всего вокруг себя. Будь то клавиша на вашей клавиатуре, дерево вашего стола или шерсть вашей собаки, вы чувствовали это в тот момент, когда ваш палец касался его. Или ты?
На самом деле вашему мозгу требуется немного времени, чтобы зарегистрировать ощущение от кончика пальца, но это все равно происходит чертовски быстро: сигнал прикосновения проходит по вашим нервам со скоростью более 100 миль в час. Некоторые нервные сигналы еще быстрее, приближаясь к скорости 300 миль в час.
Теперь ученые из Калифорнийского технологического института разработали новую сверхбыструю камеру, которая может записывать кадры этих импульсов, когда они проходят через нервные клетки . Камера также может снимать видео других сверхбыстрых явлений, таких как распространение электромагнитных импульсов в электронике.
Технология камеры, известная как дифференциально улучшенная сжатая сверхбыстрая фотография (Diff-CUP), была разработана в лаборатории Лихонга Вана, профессора медицинской инженерии и электротехники Брена, заведующего кафедрой медицинской инженерии Эндрю и Пегги Чернг и исполнительного директора медицинской инженерии. .
Diff-CUP работает аналогично другим системам CUP Вана, которые, как было показано, способны записывать видео со скоростью 70 триллионов кадров в секунду и захватывать изображения лазерных импульсов, движущихся со скоростью света.
Diff-CUP использует ту же технологию высокоскоростной камеры, что и другие системы CUP, и объединяет ее с устройством, называемым интерферометром Маха-Цендера. Интерферометр отображает объекты и материалы, сначала разделяя луч лазерного света на две части, пропуская только один из расщепленных лучей через объект, а затем рекомбинируя лучи.
Поскольку на световые волны влияют объекты, через которые они проходят, а разные материалы воздействуют на них по-разному, луч, проходящий через отображаемый материал, будет иметь свои волны, рассинхронизированные с волнами другого луча. Когда лучи рекомбинируются, рассинхронизированные волны интерферируют друг с другом (отсюда и «интерферометр») в виде шаблонов, которые раскрывают информацию об отображаемом объекте.
Хотя вы не можете увидеть электрический импульс , проходящий через нервную клетку, своими глазами или даже в обычный световой микроскоп, этот тип интерферометрии может его обнаружить. (Между прочим, тот же самый базовый метод используется LIGO для обнаружения гравитационных волн .) Таким образом, интерферометр Маха-Цендера позволяет визуализировать эти импульсы, а камера CUP захватывает изображения с невероятно высокой частотой кадров.
«Наблюдение за нервными сигналами имеет фундаментальное значение для нашего научного понимания , но еще не достигнуто из-за отсутствия скорости и чувствительности, обеспечиваемых существующими методами визуализации», — говорит Ван.
Исследовательская группа Вана также сделала фотографии распространения электромагнитных импульсов (ЭМИ), которые в некоторых материалах могут двигаться почти со скоростью света. В данном случае они пропускали электромагнитные импульсы через кристалл ниобата лития, соли, обладающей уникальными оптическими и электрическими свойствами. Несмотря на чрезвычайно высокую скорость, с которой ЭМИ проходит через этот материал, камера смогла четко его отобразить.
«Визуализация сигналов, распространяющихся по периферическим нервам , — это первый шаг, — говорит Ван. «Было бы важно изобразить живое движение в центральной нервной системе, что пролило бы свет на то, как работает мозг».
Статья с описанием их результатов под названием «Сверхбыстрая и сверхчувствительная фазовая визуализация распространяющихся межузловых токов в миелинизированных аксонах и электромагнитных импульсов в диэлектриках» появилась в журнале Nature Communications 6 сентября.
