光は「細胞内の不均一構造」をどのようにして伝わるのか? 〜屈折率の揺らぎと光の減衰を同時に再構成し、生体組織における光学相反性を実験的に検証〜

2026-06-01 生命創成探究センター

自然科学研究機構 生命創成探究センター(ExCELLS)および基礎生物学研究所、生理学研究所の研究グループは、不均一な生体組織内を伝わる光の挙動を記述する新しい光輸送モデルを開発した。従来の定量位相イメージングでは、光の屈折と吸収・散乱による減衰を同時に扱うことが難しく、弱吸収近似などの仮定が必要だった。本研究では、複素光学ポテンシャルとレイノルズ分解を用いて、屈折率揺らぎ(Δn)と減衰係数(μ)を近似なしで同時再構成できる「結合TIE-TPEフレームワーク」を構築した。さらに、測定可能な物理パラメータ範囲(妥当性境界)を理論的に導出し、実験前に測定限界を予測できるようにした。マイクロレンズアレイおよびHeLa細胞を用いた検証では、広い光学的厚さ範囲において光の進行方向と逆方向で伝播特性が等しい「光学相反性」が成立することを定量的に実証した。これにより、生体組織のラベルフリー観察や高精度イメージングの信頼性向上が期待されるほか、将来的には細胞内部の物理特性や三次元構造を定量的に解析する新たな光学計測技術への発展が見込まれる。

光は「細胞内の不均一構造」をどのようにして伝わるのか? 〜屈折率の揺らぎと光の減衰を同時に再構成し、生体組織における光学相反性を実験的に検証〜

図. HeLa細胞の解析結果

<関連情報>

異種光媒体における振幅-位相結合輸送 Coupled amplitude-phase transport in heterogeneous optical media

Masaki Watabe, Joe Sakamoto, Hideaki Yoshimura, Tomomi Nemoto, and Kazunari Kaizu

Physical Review A  Published: 18 May, 2026

DOI: https://doi.org/10.1103/zjh7-3bdb

Abstract

The transport of intensity equation (TIE) enables deterministic phase retrieval in optical microscopy, yet its application to heterogeneous media exhibiting both refractive-index variations and attenuation remains an open problem. We derive a coupled TIE-TPE (transport of phase equation) framework from the paraxial wave equation with a complex optical potential, in which the refractive index field is decomposed into a spatially uniform mean field and a local fluctuation field through Reynolds decomposition. This formulation yields a nondivergent system of transport equations that simultaneously reconstructs refractive-index fluctuations and attenuation coefficients within the condition |Δ⁢|<1, without requiring linearization or weak-absorption approximations. We establish explicit validity bounds that define the measurable parameter space for a given experimental configuration, emerging from both photon counting statistics and the diffraction limit. Experimental validation using microlens arrays and HeLa cells demonstrates robust recovery of optical properties, including in the transparent-limit regime where attenuation signals approach detection thresholds. We further verify that the attenuation asymmetry parameter remains consistent with zero across three orders of magnitude in optical depth, indicating preservation of optical reciprocity in structurally heterogeneous biological media.

1701物理及び化学
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