科学探索|加州理工科学家开发出了可拍摄神经信号传播的新型超快相机加州理工科学家开发出了可拍

无论伸手触摸桌面上的何种物品，大脑都需要花一些时间来分析。但从指尖传导而来的信号，刹那间就可抵达大脑皮层。研究指出，触摸信号的神经传导速度超过 100 英里/小时（160 公里/小时）。而且某些神经信号甚至可以接近 300 mph（约 480 km/h）。现在，加州理工学院的科学家们又介绍了一种新型超快相机，特点是能够记录信号脉冲穿过神经细胞时的镜头。

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研究配图 1：Diff-CUP 系统示意（来自：Nature Communications）
此外 Caltech 科学家们新开发的这款超快相机，还可以捕捉其它令人难以置信的快速现象的视频，比如电子设备中的电磁脉冲传播。
Bren 医学工程与电气工程教授、Andrew 和 Peggy Cherng 医学工程领导主席、兼医学工程行政主任的 Lihong Wang 指出，这项技术的全称为“差分增强压缩超快摄影”（简称 Diff-CUP）。

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以不同速度、通过不同神经元的电脉冲
Diff-CUP 的运行方式，与王教授的主导的其它“压缩超快摄影”系统类似。其已被证明能够捕获以光速行进的激光脉冲图像，并以每秒 70 万亿帧的速度录制视频。
为了研究神经信号的传播，新研究将它与名为 Mach-Zehnder 干涉仪的设备相结合。干涉仪先将激光束一分为二，仅使其中一束穿过物体、然后通过重新组合光束，来对物体和材料进行成像。

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研究配图 2：Diff-CUP 的相位灵敏度
由于光波受到其穿过的物体的影响，所以不同的材料、就能对其产生不同方式的影响。穿过被成像材料的光束，将使其与另一光束的波不同步。
当光束被重新组合时，不同步的波，便会以显示有关被成像物体的信息的模式，而产生相互干扰（因此被称作“干涉仪”）。

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研究配图 3：有髓轴突中传播的节间电流 / 未编码 Diff-CUP 成像
得益于这种特性，尽管人眼和传统光学显微镜无法看到穿过神经细胞的电脉冲，但这种类型的干涉仪仍可轻松检测。（顺道一提， LIGO 也在用同样的基础理论来探测引力波）
实验中， Mach-Zehnder 干涉仪能够对这些神经脉冲进行成像，而 CUP 相机则以极高的帧速率来捕获图像。

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Lihong V. Wang 教授
王教授补充道：看到神经信号，是对其产生科学理解的一个重要基础。但受现有成像方法的拖累，此前我们一直难以提升其速度和灵敏度。
与此同时， Caltech 团队还拍摄了电磁脉冲（EMP）的传播照片。可知在某些材料中， EMP 能够以接近光速传播。

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研究配图 4：在 LN 晶体中传播的 EMP 编码的 Diff-CUP 成像