Widzenie dwufotonowe

Wzrok jest zdolnością do odbierania bodźców z otaczającego nas otoczenia w postaci fal elektromagnetycznych od 400 nm do 780 nm, nazywanego zakresem światła widzialnego. Proces widzenia zaczyna się w momencie, gdy foton światła widzialnego zostanie zaabsorbowany przez pigment wzrokowy fotoreceptora w światłoczułej części oka – siatkówce. Absorpcja fotonu inicjuje szereg reakcji biochemicznych, w wyniku których światło jest zamienione na sygnał elektryczny, przetwarzany później w mózgu.

Widzenie dwufotonowe polega na tym, że człowiek widzi ultrakrótkie impulsy lasera z zakresu bliskiej podczerwieni na skutek nieliniowego procesu optycznego – absorpcji dwufotonowej zachodzącej w pigmentach wzrokowych. Aparat wzrokowy reaguje tak, jakby w fotoreceptorach został zaabsorbowany jeden foton światła, podczas gdy absorbowane są dwa fotony promieniowania podczerwonego o dwukrotnie niższej energii. Bodziec jest postrzegany przez obserwatora tak, jakby miał kolor odpowiadający około połowie długości fali pobudzającej wiązki lasera podczerwonego.

Widzenie dwufotonowe ma kilka ciekawych właściwości innych od „normalnego”, jednofotonowego widzenia. Po pierwsze zachodzi dla innego zakresu spektralnego: od około 800 nm do 1300 nm – dla tych długości fali wrażenie barwne zmienia się od barwy niebieskiej, poprzez zieloną, żółtą, aż do czerwieni. Po drugie jasność bodźca dwufotonowego zmienia się kwadratowo z mocą promieniowania optycznego, a więc światło rozproszone w oku nie będzie postrzegane. Jasność zależy również od zogniskowania wiązki na siatkówce obserwatora. Obserwowane bodźce są bardziej ostre i o lepszym kontraście niż w przypadku „normalnego”, jednofotonowego widzenia.

W Międzynarodowym Centrum Badań Oka badamy zjawisko widzenia dwufotonowego – poznajemy właściwości tego procesu i jako pierwsi na świecie opisujemy je. Szukamy również zastosowań tego zjawiska, zarówno w diagnostyce medycznej (np. mikroperymetria dwufotonowa), jak i systemach wizualizacji informacji.

Mikroperymetria dwufotonowa

Konwencjonalne podejście do badania pola widzenia opiera się na wyświetlaniu bodźców widzialnych w różnych miejscach siatkówki pacjenta i rejestracji jej/jego odpowiedzi. Niestety, dokładność i powtarzalność klasycznych metod badania pola widzenia jest ograniczona. Nie możemy jej użyć w przypadkach pacjentów z nieprzeziernością ośrodka optycznego oka (np. zaćma).

Odpowiedzią na powyższe wyzwania może być mikroperymetria dwufotonowa – nowa technika diagnostyczna wykorzystująca impulsowe wiązki podczerwone do pobudzania siatkówki oka osoby badanej. Takie bodźce są postrzegane w procesie widzenia dwufotonowego. Zastosowanie dwufotonowej percepcji do badania pola widzenia ma kilka zalet. W przeciwieństwie do światła widzialnego, promieniowanie podczerwone jest mniej rozpraszane na nieprzeziernościach ośrodka optycznego oka. Ponadto, widzenie dwufotonowe jest procesem nieliniowym, co powoduje o połowę mniejszy rozrzut wartości progu widzenia w porównaniu do klasycznej mikroperymetrii. To przekłada się na lepszą powtarzalność badania.

W Międzynarodowym Centrum Badań Oka badamy rozwijamy technikę mikroperymetrii dwufotonowej, między innymi badając wpływ różnych parametrów impulsowych źródeł laserowych – długości fali, długości impulsu i częstotliwości repetycji, na efektywność pobudzania siatkówki.

Autorzy: dr Katarzyna Komar i dr Marcin Marzejon

Zespół:

dr Katarzyna Komar

dr Marcin Marzejon

mgr Oliwia Kaczkoś

dr Agata Kotulska

Prof. Maciej Wojtkowski

Publikacje:

1. G. Palczewska, F. Vinberg, P. Stremplewski, M. P. Bircher, D. Salom, K. Komar, J. Zhang, M. Cascella, M. Wojtkowski, V. J. Kefalov, and K. Palczewski, “Human infrared vision is triggered by two-photon chromophore isomerization,” Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111(50), E5445–E5454 (2014).
2. D. Ruminski, G. Palczewska, M. Nowakowski, V. Kefalov, K. Komar, K. Palczewski, and M. Wojtkowski, “Two-photon microperimetry: sensitivity of human photoreceptors to infrared light,” Biomed. Opt. Express 10(9), 4551–4567 (2019).
3. G. Łabuz, A. Rayamajhi, J. Usinger, K. Komar, P. Merz, R. Khoramnia, G. Palczewska, K. Palczewski, and G. U. Auffarth, “Clinical application of infrared-light microperimetry in the assessment of scotopic-eye sensitivity,” Transl. Vis. Sci. Technol. 9(8), 1–9 (2020).
4. M. J. Marzejon, Ł. Kornaszewski, J. Bogusławski, P. Ciąćka, M. Martynow, G. Palczewska, S. Maćkowski, K. Palczewski, M. Wojtkowski, and K. Komar, “Two-photon microperimetry with picosecond pulses,” Biomed. Opt. Express 12(1), 462–479 (2021).
5. M. Marzejon, Ł. Kornaszewski, M. Wojtkowski, and K. Komar, “Effects of laser pulse duration in two-photon vision threshold measurements,” in Ophthalmic Technologies XXXI, D. X. Hammer, K. M. Joos, and D. V Palanker, eds. (SPIE, 2021), 11623, pp. 74–79.
6. G. Łabuz, A. Rayamajhi, R. Khoramnia, G. Palczewska, K. Palczewski, A. Holschbach, and G. U. Auffarth, “The loss of infrared-light sensitivity of photoreceptor cells measured with two-photon excitation as an indicator of diabetic retinopathy: A pilot study,” Retina 41(6), 1302–1308 (2021).
7. D. Stachowiak, M. Marzejon, J. Bogusławski, Z. Łaszczych, K. Komar, M. Wojtkowski, and G. Soboń, “Femtosecond Er-doped fiber laser source tunable from 872 to 1075 nm for two-photon vision studies in humans,” Biomed. Opt. Express 13(4), 1899–1911 (2022).
8. A. Zielińska, P. Ciąćka, M. Szkulmowski, and K. Komar, „Pupillary Light Reflex Induced by Two-Photon Vision,” Investig. Opthalmology Vis. Sci. 62(15), 23 (2021).
9. M. J. Marzejon, “Two-photon perimetry utilizing picosecond lasers,” Gdańsk University of Technology (2022).
10. O. Kaczkoś, A. Zielińska, M. J. Marzejon, J. Solarz-Niesłuchowski, J. Pniewski, K. Komar, “Methods of determining the contrast sensitivity function for two-photon vision,” Proc. SPIE 12502, 1250215 (2022).
11. G. Łabuz, A. Rayamajhi, K. Komar, R. Khoramnia, and G. U. Auffarth, “Infrared- and white-light retinal sensitivity in glaucomatous neuropathy,” Sci. Rep. 12(1), 1961 (2022).
12. M. J. Marzejon, PhD thesis “Two-photon perimetry utilizing picosecond lasers”, Gdańsk University of Technology (2022).
13. D. Stachowiak, M. Marzejon, J. Bogusławski, Z. Łaszczych, K. Komar, M. Wojtkowski, and G. Soboń, “Femtosecond Er-doped fiber laser source tunable from 872 to 1075 nm for two-photon vision studies in humans,” Biomed. Opt. Express 13(4), 1899–1911 (2022).
14. M. J. Marzejon, Ł. Kornaszewski, M. Wojtkowski, and K. Komar, “Laser pulse train parameters determine the brightness of a two-photon stimulus”,  Biomed. Opt. Express 14(4), 2857-2872 (2023).