Чтобы обеспечить все наши метаболические функции, передать ощущение или вызвать механический ответ, наша нервная система должна постоянно обрабатывать большое количество информации. Они принимают форму нервных импульсов (электрических импульсов) и проходят через наши нейроны с очень высокой скоростью. Скорость такова, что явление никогда нельзя было наблюдать напрямую. Используя последние достижения в области высокоскоростной фотографии, инженеры Калифорнийского технологического института разработали сверхбыструю камеру, способную улавливать движение электрических импульсов через нейроны. Наблюдение за этим ранее неуловимым явлением может привести к лучшему пониманию биологии мозга, что является основополагающим в поиске неврологических методов лечения. Электромагнитные сигналы, движущиеся со скоростью света, также могут быть захвачены.
Чтобы получить ощущение (например, прикосновение) через нашу периферическую нервную систему, в центральную нервную систему передается целый каскад информации. Нервный импульс проходит через клетки нейронов спинного мозга и достигает клеток таламуса — центра обработки сенсорных сигналов, расположенного в глубине мозга. Последний, состоящий из более чем 100 миллиардов нейронов, затем определяет соответствующую реакцию в соответствии с полученной информацией.
Эти сложные взаимодействия с участием многих неврологических функций происходят чрезвычайно быстро. Нервные импульсы, проходящие по сенсорным нервам, движутся со скоростью почти 160 километров в час. Ощущения, требующие немедленной реакции (например, ожог), могут генерировать еще более быстрые нервные импульсы, скорость которых достигает 483 километров в час.
Технологии медицинской визуализации, такие как функциональная МРТ, могут показать, какие области мозга активируются (деполяризуются) под воздействием нервных импульсов. Однако «наблюдение за нервными сигналами имеет фундаментальное значение для нашего научного понимания, но это еще не достигнуто из-за недостаточной скорости и чувствительности существующих методов визуализации«, — говорит в своем заявлении Лихонг Ванг, соавтор нового исследования, описанного в журнале , и научный сотрудник Лаборатории оптической визуализации Калтеха.
Впервые движение этих нервных импульсов по аксонам можно было зафиксировать с помощью камеры, используя технологию Differential Enhanced Compressed Ultrafast Photography (Diff-CUP). Исследовательская группа Ванга ранее разработала систему визуализации CUP, позволяющую фиксировать лазерные импульсы (движущиеся со скоростью света) и записывать видео со скоростью 70 миллиардов кадров в секунду. Diff-CUP объединяет эту систему с устройством, называемым интерферометром Маха-Цендера, для регистрации сенсорных нервных импульсов.
«Изображение сигналов распространения в периферических нервах — это первый шаг«, — говорит Ванг. «Было бы важно получить изображение живого трафика в центральной нервной системе, что пролило бы свет на функции мозга«, — предполагает он.
Используя интерферометр Маха-Цендера, новая камера Diff-CUP может снимать быстро движущиеся объекты, разделяя световой луч на два. Затем только один из двух фрагментов проходит через объект и рекомбинирует с первым на выходе. Поскольку на световые волны влияют материалы объектов, через которые они проходят, луч, проходящий через объект, рассинхронизируется с лучом, не проходящим через него (с которым он рекомбинирует на выходе). Эта десинхронизация вызывает интерференцию, паттерны которой раскрывают информацию об объекте.
Этот тип интерферометрии также использовался для обнаружения гравитационных волн, а его соединение с CUP позволяет получать изображения на невероятно высоких скоростях. Чтобы проверить свою технологию, исследователи снимали электрические импульсы, проходящие через седалищный нерв лягушки (Xenopus laevis), движущейся со скоростью около 100 метров в секунду. Также было успешно зафиксировано движение электромагнитных импульсов через кристалл ниобата лития (со скоростью света).