Mantis rekene er mest kjent for sin kulelignende trøkk, som har inspirert både supersterke komposittmaterialer for fremtidig kroppsrustning og en viral nettkomiker om det nysgjerrige krepsdyret. Men det viser seg at dyrets øyne er like interessante som klørne.
Relatert innhold
- Medisinsk misteltein: Kan ferieplanten virkelig bekjempe kreft?
En gruppe forskere har jobbet med en måte å modellere mantis rekens sammensatte øyne og polariserte syn for å lage et kamera som kan oppdage forskjellige former for kreft. De har nå en proof-of-concept-kamerasensor som er mindre, enklere og mer presis enn tidligere forsøk på polarisert avbildning.
Den tverrfaglige gruppen, inkludert en nevrobiolog ved University of Queensland, Australia, en datamaskiningeniør ved Washington University i St. Louis, og andre fra University of Maryland, Baltimore County og University of Bristol i England, publiserte nylig arbeidet i Fortsettelsene til IEEE (Institutt for elektriske og elektroniske ingeniører) .
Mantis-rekene, som noen insekter, blekksprut og andre blæksprutter, kan se forskjeller i polarisert lys - det vil si lys som stråler i forskjellige retningsplaner - på lignende måte som vi kan se kontrasten mellom en svart vegg og en hvit bord. Dyr bruker denne evnen til å oppdage byttedyr, finne en kamerat og unngå å bli spist.
Men polarisert lys kan også brukes til å se ting det menneskelige øyet ikke kan, for eksempel kreftceller. Teamets forskning viser at sensoren har evnen til å oppdage kreftsykdommer før cellene blir mange nok til å vises som synlige svulster.
Polarisasjonsbildesensoren, som ligner på de typer bildesensorer som allerede er i bruk i smarttelefoner, er liten nok til å ta bilder av kreft i menneskekroppen. (Timothy York, Viktor Gruev) Viktor Gruev, førsteamanuensis i informatikk og ingeniørvitenskap ved Washington University, hvis laboratorium arbeidet med å bygge sensoren, sier at kreftceller er enkle å se under polarisert lys fordi deres uorganiserte og invasive strukturer sprer lys annerledes enn normale kroppsceller.
Mens forskere har laget polariserte bildeapparater i det siste, har de en tendens til å være store ved å bruke flere sensorer og kompliserte, ved at de krever at eksperter fra optikk, ingeniørfag og fysikk skal fungere ordentlig. Det betyr selvfølgelig også at instrumentene er veldig dyre.
Men ved å kombinere fremskritt innen nanoteknologi, de bittesmå CMOS (gratis metall-oksid-halvleder) -sensorene som er vanlige i smarttelefoner og de grunnleggende om hvordan visjonssystemet til mantis rekene fungerer, klarte teamet å lage en mye enklere bildesensor. Mindre enn en krone er sensoren veldig følsom og kan oppdage kreftceller tidligere enn tidligere forsøk på polarisert avbildning, ved bruk av både stillbilder og video. Gruev sier at hans doktorgradsstudent, Timothy York, hovedforfatteren på papiret, gjorde mye av arbeidet med kameraet og dets potensielle medisinske anvendelser.
I dette endoskopibildet av en musekolon viser sensoren tumorvevet i blått, mens det sunne vevet dukker opp som gult. (IEEE) (IEEE) Med tykktarmskreft, for eksempel, vil en lege vanligvis bruke et endoskop for å se etter noe vev som ser kreft ut og deretter ta en biopsi. Men kreften må være på et bestemt utviklingsstadium før den ser annerledes ut for det menneskelige øyet. Polarisert avbildning kan oppdage kreftceller mye tidligere, men tidligere avbildningsapparater har vært for store til å kunne brukes på denne måten før.
"Vi har flyttet fra å ha flere kameraer til en enkeltbrikke-løsning, " sier Gruev. “Det er vanskelig å sette flere kameraer på et endoskop og ta bilder. Med enheten vår er alle filtre på kameraet, og det går fra noe som sitter på den optiske benken din til en som går på enden av et endoskop. ”
Kameraet kan redusere behovet for biopsier drastisk - men inntil teknologien er raffinert, er det uklart i hvilken grad det vil gjøre det.
Justin Marshall, en nevrobiolog ved University of Queensland og en av forfatterens forfattere, brakte sin ekspertise på mantis reker til prosjektet. Han har undersøkt rekesynet i mer enn 25 år. Både han og Gruev er enige om at en av de neste utfordringene vil være å finne en måte å integrere tradisjonell fargesyn i sensoren også. Slik det ser ut nå, kan sensoren se forskjeller i polarisering, men ikke fargene som vi ser. Det er et problem for leger som en dag kan bruke denne typen sensorer, fordi de vanligvis bruker visuelle signaler for å veilede dem under delikate prosedyrer. Men reker kan gi litt hjelp på den fronten også.
"[Mantis reker] ser ut til å være veldig spesiell når det gjelder hvordan de samler informasjon, både når det gjelder farge og polarisering, " sier Marshall. “De vinker blikket rundt for å skyve sensoren sin over hele verden, litt som en satellittskanning. Det kan være noen triks der vi kan låne fra også. ”
Marshall tror sensoren kan brukes til å screene pasienter for tykktarmskreft først, da det er et spesifikt område teamet hans har arbeidet med, og et der størrelsen og kompleksiteten til andre polariserte bildekameraer har vært et problem i det siste. Enklere polarisasjonsomfang brukes allerede for å sjekke for hudkreft i Australia, der to av tre personer har diagnosen sykdommen før fylte 70 år. Forskerne eksperimenterer også med å bruke polarisert lys for å øke vevskontrast for å hjelpe legene til å fortelle hvor de skal starte og slutte å kutte under operasjonen.
Fordi den rekeinspirerte brikken er så kompakt og enkel å bruke, kan teknologien komme til bærbare enheter og til og med smarttelefoner. Hvis det gjør det, sier Marshall, kan folk en dag selvovervåke for kreft og redusere belastningen på overbelastede helsevesen.
Selv om det er rikelig med potensial i den polariserte bildeteknologien, sier Gruev at det fremdeles er mye arbeid som må gjøres, både med å inkorporere fargesensing og å foredle følsomheten til polarisasjonsdeteksjonen for å øke oppløsningen og gjøre det enda bedre til å oppdage alvorlige sykdommer tidlig.
"Vi klør bare på overflaten av hvordan vi kan se på biologi og konstruere bildesystemer som kan hjelpe i diagnostisering av kreft og andre sykdommer, " sier han.
