人们常说生活模仿艺术，但很少能如此精确且有延迟地做到这一点。在H. G. Wells于1897年的小说《隐形人》中，主角发明了一种血清，通过精确控制细胞的折射率以匹配周围介质（空气）的折射率，从而使身体细胞变得透明。由于光只在具有不同折射率的两种介质的边界处散射，因此这些细胞将不再散射光线，从而变得不可见。一百二十七年后，Ou等人（1）最近在《科学》报告称，生物相容性染料通过调整周围介质的折射率以匹配细胞的折射率，使活体组织变得透明。这种方法提供了一种新的手段，可以安全、暂时和非侵入性地观察深部组织和器官的结构和活动。

实现这种调谐的机制依赖于R. Kronig（2）和H. Kramers（3）分别在1926年和1927年独立描述的一个数学关系。如今被称为Kramers-Kronig关系的这些数学公式，将由复数函数的实部和虚部描述的两个现象联系起来，受到一些约束（4）。对于光子学来说，重要的是，吸收光谱和光学介质的频率依赖折射率是两个此类现象。因此，如果已知吸收光谱，就可以在任何给定频率下计算出折射率。

通过控制折射率进行光学清晰化

光在组织的细胞成分（如脂质膜、核、线粒体等）的边界处散射，这使组织变得不透明。Ou等人利用了吸收与折射率之间的悖论性关系，通过提高细胞周围的折射率来最小化这种散射，只需添加一种染料就能使活体组织透明。然后可以看到血管、神经、肌肉纤维甚至整个器官。

为了解释Kramers-Kronig关系，考虑钢琴上弹奏的一个音符。当按下一个键时，会产生一个衰减的正弦波。傅立叶变换将这个音符表示为围绕一个单一峰值的小范围频率的总和。这些频率延伸到所有时间，每个频率都有一个振幅和一个相关联的相位，描述了每个波相对于其他波的时间。人们可能会天真地假设可以为任何频率选择任何相位值，但如果这样做，产生的音符会向后延伸以及向前延伸——显然这是荒谬的。

Kramers和Kronig认为，在真实场景中，原因必须先于效果。对于钢琴而言，在原因之前必须是沉默的。按下一个键，接着就是音符的声音。这种因果要求对允许的相位施加了严格限制，因为在原因之前，所有正弦波必须加和为零。他们发现，对于给定的振幅谱，将有一个完全符合因果关系的相应相位谱。对于撞击原子的光波包也是同样的情况。原子不能在波包到达前做出反应；因此，吸收光谱和频率依赖的折射率不是彼此独立的。知道一个就能计算另一个。

Ou等人的见解是，材料的吸收光谱不仅可以用于推断折射率，还可以控制它——而且不是小幅度的。对于某些染料在某些频率下观察到每摩尔浓度高达1.2个折射率单位的偏移。这与甘油相比，甘油是一种常用的组织清晰剂，每摩尔浓度只能增加0.013的折射率。通过染料筛选，鉴定出酒石黄（一种美国食品药品监督管理局批准的食品染料）是一个好候选者，它在水溶液中有强烈的吸收，波长为428纳米，但在红色和红外波长下的吸收可忽略不计。酒石黄在0.78 M浓度下实现了最高的光学透明度，这在生理耐受限度内（5）。为了证明这一点，Ou等人在各种样本中诱导了光学透明度，包括离体的鸡胸肉组织、仿组织合成材料和活鼠。成像后洗掉局部应用的溶液恢复了组织的固有光学性质，没有明显的毒性（参见图）。

这种对组织散射的抑制绝非简单的魔术。组织散射几乎总是在体内深层光学成像中构成最大的障碍。因此，它在生物学和医学领域引起了极其广泛的兴趣。为了实现对活组织深处几毫米细胞特征的成像目标，已经推动了多光子显微镜、自适应光学、浑浊度抑制、短波红外成像、光学相干层析成像和光声显微镜等技术的发展，这只是其中几个例子。主要的慈善组织已将无法在组织内部进行光学成像视为进展的关键障碍之一。例如，Chan Zuckerberg Initiative（陈-扎克伯格倡议），其声明的目标是“到21世纪末治愈、预防或管理所有疾病”，已经在其深部组织成像项目上投资了3260万美元，该项目专门致力于开发技术以在活体组织内部成像细胞级特征。预示这一专注于疾病治疗的趋势，Ou等人展示了能够成像胃肠道中的肠神经系统的能力，这与易激综合症以及自闭症和帕金森病等神经精神疾病有关。

当然，“光学组织清晰化”领域已经建立得很好，存在大量协议可以使组织变得透明，例如使用甘油、糖或乙酸的水溶液（7），甚至通过完全消除最高度散射的组织成分（8）。然而，需要高浓度才能匹配折射率，这可能会产生副作用，如脱水、肿胀和结构改变。相比之下，酒石黄在大大降低的浓度下就能改变水的折射率，并且是完全可逆的。这促进了对活样本中生物过程的长期研究。

展望未来，光学组织清晰化的一个优点是与其他技术的协同作用，允许比单独任何一种技术都能进行更深层次的成像。对于死组织而言，这很少重要，因为人们通常可以简单地切除干扰的表层组织，但对于活组织来说，这不是一个选项。基于Ou等人的结果，有理由期待在足够的染料渗透的情况下，成像深度提高10倍。有了这个，诸如整个小鼠大脑的多光子成像或使用光学相干层析成像导管定位厘米厚组织下的血管周围的肿瘤等壮举可能成为可能。将组织清晰化与短波红外成像结合特别有趣，因为已经证明染料诱导的清晰化在更长波长下更有效。

同样值得注意的是，对模型生物的更广泛访问。许多生物，如斑马鱼（Danio rerio）和秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans），之所以被选为研究对象，部分是因为它们的身体天生透明；因此，生物相容性的光学清晰化剂将扩大用于光学探询的模型生物的范围。最终，这是活组织清晰化的真正承诺——摆脱组织不透明度的限制，灵活获得生物学洞察。H. G. Wells，作为T. H. Huxley的学生学习生物学，肯定会赞成这一点。