このエビはすごいですね！腫瘍医が癌細胞をはっきりと「見る」ためのガイド

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: 蘇成宇

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

これがシャコです。

画像出典: ウィキメディア

シャコについて私たちが最もよく知っていることは、稲妻のように速い一対の拳を持っているということです。

どれくらい速いですか？非常に速いので、圧縮されて解放されるバネのようなものです。パンチを完了するにはわずか 1 ～ 2 ミリ秒しかかかりません。この速度では、神経フィードバックだけではすでに発射された拳を変えるのに十分ではありません。

シャコがスローモーションでパンチを繰り出します。シャコの殻を破るのに数分しかかからない（画像提供：isolophobia）

しかし、今日の話題はその拳ではなく、命を救うことができるその目についてです。

シャコの目はどうやって人を救うのか？それはちょっととんでもない話に聞こえます。

急がず、まずはシャコの目を紹介しましょう。

画像ソース: gycat

シャコは地球上で最も速い拳を持っているだけでなく、地球上で最も複雑な視覚システムも持っています。他の昆虫と同様に、複眼を使用します。

複眼には3層の光受容細胞があり、各層は異なる波長の光に反応します。シャコには、異なる波長の光を同時に受信して処理できる合計 16 種類の光受容体があります。同時であることに留意してください。

シャコの目は、dPR（背側周辺部）が背側周辺部、vPR（腹側周辺部）が腹側周辺部であり、両者はほぼ対称的です。 MB（ミッドバンド領域）は中間帯域領域である

（画像出典：参考資料2）

光受容体のうち 3 つは紫外線を検出するために使用され、9 つは可視光線を検出するために使用され、残りは赤外線を検出するために使用されます。

それに比べて、人間は赤、緑、青の3色しか光受容体を持たないため、人間が見える光の範囲はシャコのそれよりもはるかに狭いのです。

これらの光受容細胞は情報を独立して並行して処理することができます。光受容細胞の出力は神経比較を経由せず、色情報は網膜から脳に直接伝達されます。

これは、脳が紫外線や赤外線だけでなく可視光線も見ることができることを意味します。

がん組織の切除手術では、がん組織の切除をより容易にするために、がん細胞に蛍光タンパク質をマークする必要がある場合があります。この時、医療用カメラを使用して撮影し、手術モニターにリアルタイムで画像を表示することで、医師の手術を円滑にします。

可視光蛍光標識下の癌組織（画像提供：ネイチャー誌）

蛍光タンパク質は、2 つの異なる波長の光である可視光と近赤外光で標識されます。異なる蛍光マーカーを使用して、異なる組織にラベルを付けることができます。生物の一部は可視光をよりよく吸収し散乱しますが、他の部分は近赤外線を含む不可視光をよりよく吸収し散乱します。

使用される標識方法は、がん組織の位置によって異なります。しかし、状況が複雑になり、同時に 2 つの蛍光ラベルが必要になることもあります。

現時点では、一般的な写真撮影機器は可視光または赤外光のいずれかしか捉えられないため、従来のビデオ機器はもはや効果的ではありません。写真機器の「感光セル」、つまりセンサーは、その感光範囲を制限します。

従来の撮影機器には、可視光と近赤外光を処理できるセンサーが搭載されていることに留意する必要があります。 2017年には、写真機器メーカーが可視光と近赤外光を捉えることができる世界初のCMOSセンサーを開発しました。

可視光と近赤外光を捉えることができるセンサー（画像提供：tokiox）

しかし、近赤外光と可視光を同時にモニターで見たい場合、このセンサーでは不十分です。可視光モードと近赤外光モードの 2 つのモードの間でしか切り替えられないためです。

2 つのモードを切り替えることで、同じ物体を可視光と近赤外光で見ることができます (画像提供: tokiox)

私たちの主人公であるシャコの出現は科学者たちにインスピレーションを与えました。これにより、外科医は可視光と近赤外光の両方を同時に見ることができるようになります。

研究著者（画像出典：文献1）

ヴィクトル・グルエフ研究室の大学院生、スティーブン・ブレアは、シャコが使用するものと同様の、三層の光感応性材料を備えたセンサーを開発した。赤、緑、青、近赤外光3種類の合計6色の光波を感知できます。

もちろん、このセンサーのポイントは、シャコと同じように最上層に2つのフィルター素材を配置し、6色の光を独立して同時に並行して処理できるという点です。

この方法により、外科医はカメラを使用して、可視光と近赤外光でマークされた癌組織を同じ画像で観察することができ、非常に便利になります。

研究者たちは、乳がんの腫瘍除去手術中にバイオニックイメージング装置（赤でマーク）をテストしています。

（画像出典：S. Blair他 Science Translational Medicine 2021 提供）

ハチドリを模倣した高速鉄道の機関車から、アスリートのためのサメ皮の水着、イルカを模倣したソナーシステムまで、自然は私たちの技術の進歩に無限のインスピレーションを与えてきました。シャコの複雑な目を模倣した画像システムは、数ある例のうちのほんの 1 つにすぎません。

野生動物を研究することに何の意味があるのか​​と疑問に思う人もいました。それは私たち人間とは何の関係もなく、お金の無駄です。

自然は常に私たちにとって最高の教師であるということを、皆さんは今理解すべきだと思います。

参考文献:

1. ブレア S、ガルシア M、デイビス T、他。画像誘導癌手術のためのヘキサクロマティックバイオインスパイアードカメラ[J]。サイエンストランスレーショナルメディシン、2021年、13(592)。

2. 張旭、金偉奇、邱蘇。シャコの視覚イメージングの特性とそのバイオニック技術のレビュー[J]。赤外線技術、2016年、38(2):89-95。

3. https://www.camgle.com/news/zixun/20170213/6666.html

4. http://tokiox.com/wp/%E3%82%AD%E3%83%A4%E3%83%8E%E3%83%B3%EF%BC%9Acmos%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5%E3%83%BC%EF%BD%A 4global-shutter%E6%90%AD%E8%BC%89%EF%BC%9A%E5%8F%AF%E8%A6%96%E5%85%89%EF%BD%A5%E8%BF%91%E8%B5%A4%E5%A4%96/?lang=zh