Klucz do niewidzialnego świata znaleziony. Naukowcy z ICTER rozszyfrowali widzenie dwufotonowe

Widzenie dwufotonowe to nowatorska metoda, która niesie ogromny potencjał dla przyszłości diagnostyki okulistycznej. Choć wyróżnia się wieloma zaletami, wymaga doskonalenia w kluczowych obszarach. Naukowcy z ICTER zrobili krok naprzód, usprawniając tę technologię i otwierając nowe perspektywy w medycynie oka.

Wyobraź sobie, że zamiast oglądać obraz przez soczewkę, spoglądasz przez kalejdoskop, który skupia niewidzialne światło, by uzyskać nową gamę barw. Foton, ten efemeryczny posłaniec światła, zazwyczaj występuje solo, lecz tu pojawia w duecie, co jest podstawą widzenia dwufotonowego. To niezwykłe zjawisko, w którym ludzkie oko, zamiast postrzegać tradycyjne światło, odbiera impulsy laserów podczerwonych, stanowiące wrota do niewidzialnego świata.

Ale kluczem do nich jest zmierzenie jasności bodźców dwufotonowych, co do tej pory było możliwe tylko w przypadku światła widzialnego. Naukowcy ICTER dokonali przełomu i określili wartość luminancji dla podczerwieni przy użyciu jednostek fotometrycznych (cd/m2). Dzięki temu podejściu możliwe było powiązanie luminacji bodźców dwufotonowych z nową wielkością fizyczną związaną z postrzeganą jasnością: dwufotonowym natężeniem oświetlenia siatkówki.

Badania przeprowadzone przez naukowców z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) z udziałem doktorantki Oliwii Kaczkoś, dr inż. Katarzynę Komar i prof. Macieja Wojtkowskiego wykazały, że luminacja dwufotonowego bodźca może osiągnąć prawie 670 cd/m2 w bezpiecznym zakresie mocy lasera dla oka. Efektem jest praca pt. "Method for the determination of the luminance of two-photon vision stimuli" opublikowana w czasopiśmie Biomedical Optics Express.

Zobaczyć niewidzialny świat

Ludzkie oko jest w stanie odbierać bodźce z otaczającego świata w postaci fal elektromagnetycznych w zakresie od ok. 380 nm do 780 nm (od fioletu do czerwieni). Fale poza tym zakresem, takie jak podczerwień (powyżej 780 nm) i ultrafiolet (poniżej 380 nm), są dla nas niewidoczne bez specjalnych urządzeń, choć mogą oddziaływać na zmysły w inny sposób.

Każdy proces widzenia przebiega tę samą drogę, gdy foton światła widzialnego zostaje zaabsorbowany przez pigment wzrokowy fotoreceptora w siatkówce (światłoczułej części oka). To zdarzenie inicjuje szereg reakcji chemicznych, w wyniku których kwant światła jest zamieniany na sygnał elektryczny, przetwarzany w mózgu.

Widzenie dwufotonowe jest zjawiskiem, w którym oko ludzkie jest w stanie postrzegać ultrakrótkie impulsy laserów podczerwonych o długości fali w zakresie 800-1300 nm dzięki absorpcji dwóch fotonów. Proces ten powoduje izomeryzację pigmentów wzrokowych, co prowadzi do percepcji światła o długości fali odpowiadającej połowie fali podczerwonej. Mimo że lasery te znajdują się poza widzialnym zakresem spektrum, ich wpływ na pigmenty wzrokowe umożliwia widzenie światła podczerwonego w postaci różnych kolorów.

Widzenie dwufotonowe różni się od jednofotonowego przede wszystkim sposobem absorpcji światła. W widzeniu jednofotonowym każdy foton o określonej energii jest absorbowany przez cząsteczki w oku, co pozwala na percepcję światła w widzialnym zakresie. W widzeniu dwufotonowym natomiast dwa fotony o dwukrotnie mniejszej energii są jednocześnie absorbowane przez pigmenty wzrokowe, co prowadzi do percepcji światła o połowie długości fali, które teoretycznie nie powinno być widoczne.

Co więcej, jasność bodźca dwufotonowego zmienia się wraz z kwadratem mocy promieniowania optycznego, a więc światło rozproszone w oku nie będzie postrzegane. Jasność zależy również od zogniskowania wiązki na siatkówce obserwatora - odbierane bodźce są ostrzejsze i o lepszym kontraście niż w przypadku "normalnego", jednofotonowego widzenia.

Naukowcy ICTER od dawna badają zjawisko widzenia dwufotonowego, jako pierwsi na świecie je opisali, a teraz dokonali kolejnego przełomowego odkrycia.

Nowatorska metoda określania jasności bodźców dwufotonowych

Widzenie dwufotonowe wykazuje potencjał w dwóch kluczowych obszarach: diagnostyce medycznej oraz rzeczywistości wirtualnej/rozszerzonej (VR/AR). Może być wykorzystane do zaawansowanych badań diagnostycznych, szczególnie w neurologii i okulistyce, gdzie impulsy podczerwone pozwalają na bezpieczne monitorowanie funkcji wzrokowych bez konieczności użycia światła widzialnego. Z drugiej strony, zjawisko to umożliwia tworzenie nowych, realistycznych doznań wizualnych poprzez manipulowanie bodźcami świetlnymi z zakresu podczerwieni, otwierając nowe możliwości w interakcji z obrazami wirtualnymi (VR/AR).

Wszystkie przyszłe zastosowania tego zjawiska wymagają znajomości luminacji bodźców dwufotonowych, ale funkcja względnej czułości oka V(λ) poza zakresem widzialnym jest nieznana. Konieczne jest niestandardowe podejście do kwantyfikacji luminancji bodźców dwufotonowych z użyciem podczerwieni - co właśnie zrobili naukowcy z ICTER.

Przedstawiona w artykule metoda umożliwiła wyrażenie jasności bodźców dwufotonowych w jednostkach fotometrycznych. Dzięki przeprowadzonym pomiarom, naukowcy byli w stanie wykazać związek między mocą wiązki podczerwieni a mocą wiązki widzialnej, która została subiektywnie dostosowana tak, aby obie były postrzegane jako mające tę samą luminancję. Korzystając z zależności między gęstością mocy lasera VIS a luminancją rzutowanych bodźców, udało się określić subiektywną luminancję bodźców podczerwonych przy użyciu jednostek fotometrycznych (cd/m2). Wyniki te podkreślają nieliniową naturę widzenia dwufotonowego, co jest zgodne z poprzednimi badaniami.

- Celem badania było opracowanie powtarzalnej metody do określenia jasności bodźców dla widzenia dwufotonowego. Standardowe metody nie pozwalają zrobić tego poza widzialnym spektrum światła, ale nasze badania otwierają drzwi do realizacji tego celu, co jest niezbędne do dalszych badań i rozwoju zastosowań tego zjawiska w diagnostyce medycznej oraz technologiach rozszerzonej (AR) i wirtualnej rzeczywistości (VR). Nowe podejście umożliwi także porównanie jasności bodźców dwufotonowych z tradycyjnymi wyświetlaczami bazującymi na standardowym, jednofotonowym widzeniu - mówi Oliwia Kaczkoś, doktorantka ICTER i optometrystka, główna autorka badań.

Platforma dla kolejnych odkryć

Efektem badań jest zaproponowanie zupełnie nowej wielkości fizycznej, nazwanej dwufotonowym natężeniem oświetlenia siatkówki (ang. two-photon retinal illumination), która jest odpowiednia do opisu układów emitujących bodźce dwufotonowe. Związek ten umożliwił przewidywanie wartości luminancji bodźców dwufotonowych, które mogłyby osiągnąć 670 cd/m2 w bezpiecznym zakresie mocy lasera dla ludzkiego oka bez korekcji optyką adaptacyjną (AO).

Co więcej, naukowcy z ICTER udokumentowali dwukrotnie lepszą powtarzalność dla pomiarów wykonanych na tle o luminancji 10 cd/m2. Jest to kluczowe dla rozwoju przyszłych technologii, takich jak dwufotonowe wyświetlacze na siatkówce, które mogą być stosowane w okularach rozszerzonej rzeczywistości (AR) lub w zaawansowanych narzędziach diagnostycznych, takich jak mikroperymetria dwufotonowa.

Autorzy pracy "Method for determination of luminance of two-photon vision stimuli": Oliwia Kaczkoś, Agnieszka Zielińska, Jacek Pniewski, Maciej Wojtkowski i Katarzyna Komar.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ICTER, czyli International Centre for Translational Eye Research (polskie tłumaczenie: Międzynarodowe Centrum Badań Oka) to ośrodek naukowo-badawczy działający przy Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF) z siedzibą w Warszawie. ICTER powstał w 2019 r. celu rozwinięcia nowoczesnych technologii wspierających diagnostykę i terapię chorób oczu, w oparciu o finansowanie z programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej – Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Obecnie ICTER realizuje grant MAB FENG Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej. W 2024 r. IChF zdobył prestiżowy grant w ramach programu Teaming for Excellence / WIDERA Horyzontu Europa, co umożliwi rozwój jednostki ICTER do rangi europejskiego centrum doskonałości. Strona: www.icter.pl