心脏是一种机电器官，可以通过电压脉冲、钙离子波和机械收缩的形式捕捉其功能。遗传病、压力、药物或衰老都可能导致这些波浪中的任何一个中断，并使一个人的生命处于危险之中。心脏电生理学和机电学研究此类波如何发挥作用，以及什么可以使它们保持稳定和安全。

生物工程师最近采用人类诱导的多能干细胞衍生心肌细胞 (hiPSC-CM) 作为人类心脏的模型。这种“芯片实验室”人类心脏可用于研究这些心脏波响应各种刺激的中断，使用患者自己的重新编程细胞。光学成像可以帮助可视化波浪，但为此需要高灵敏度的高速相机，而且每台相机都很昂贵，大约需要 100,000 美元。

在此背景下，由乔治华盛顿大学的 Emilia Entcheva 领导的研究人员现已开发出一种用于全光学心脏电生理学的便携式低成本宏观测绘系统。他们没有使用电刺激，而是使用光(光遗传学刺激)在 hiPSC-CM 中触发电压、钙波和机械收缩。

“光遗传学使用在人类细胞中遗传表达的藻类中的光敏蛋白，以类似于使用电脉冲实现的方式控制它们。然而，光的利用能够以非接触方式同时刺激许多样本，而无需任何布线。这对于电脉冲是不可能的，”Entcheva 解释道。他们的工作最近发表在《生物医学光学杂志》上。

为了使他们的系统负担得起，研究人员使用了廉价的高速机器视觉 CMOS 相机，其价格比通常用于此目的的科学 CMOS 相机低 100 倍。实验室博士后和第一作者 Yuli Heinson 构建了一个多相机系统，利用 LED 和现成的组件进行刺激和控制。

使用倾斜的 LED 照明可以在对厘米级区域进行成像时，辨别小机械收缩的局部无染料信号。“它可能代表了一种基于干扰的检测机制，”Entcheva 说。整个可重新配置的多相机设置成本不到 15,000 美元，外形小巧，即比传统设计更小，而且便于携带。

系统就位后，研究人员广泛量化了不同实验条件对测量波参数的影响。使用不同功率的照明，他们表明 hiPSC-CM 的电刺激和光遗传学刺激是等效的。