大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 生命創成探究センター（ExCELLS）／基礎生物学研究所の渡部 匡己特任准教授と、ExCELLS／生理学研究所の坂本 丞特任助教（当時）らは、細胞など場所によって光の通りやすさが不均一な物質の内部における、光の屈折と減衰を統合して計算できる輸送モデルを導き出すことに成功しました。この新しい理論モデルでは、屈折率の局所的な揺らぎと光の弱まり方を従来の近似（線形化や弱吸収近似）に頼らずに同時に求めることができ、さらに測定が成立する物理的条件（妥当性境界）の範囲も明確に示すことができます。実験では、マイクロレンズアレイとHeLa細胞を用いてこの光輸送モデルを検証し、「光のルートは逆向きにしても、光の伝わり方は変わらない」、すなわち光学相反性が、生体組織内でも光学的厚さで3桁にわたる（約1万倍の幅を持つ）広い範囲の条件下で保たれていることを実証しました。

本研究成果は、米国物理学会の国際科学雑誌「Physical Review A」（2026年5月18日付）に掲載されました。
 
発表のポイント
・細胞などの不均一な光媒質^*1の内部で、光の屈折と減衰を結合した輸送モデルを導出。屈折率の揺らぎ^*2（Δn）と光の減衰係数^*3（μ）を、これまで必要だった近似（線形化や弱吸収近似）を用いずに同時に再構成できる。
・本枠組みから、測定が物理的に成立するパラメータ範囲（妥当性境界）を明示的に導出。実験を行う前に、ある光学系で「どこまで何が測れるか」を見積もることが可能になった。
・マイクロレンズアレイ^*4およびHeLa細胞^*5を用いた実験により、生体組織の光の進行モードと後退モードの非対称性（減衰非対称性 Aκ）が、光学的厚さ^*6約3桁にわたってゼロと一致することを確認。生体媒質においても光学相反性^*7が保持されることを定量的に検証した。
 
図. HeLa細胞の解析結果
（a）広視野顕微鏡を用いた明視野撮像系の光路図。（b）3枚の強度分布 I(r⊥, z₀ − Δz), I(r⊥, z₀), I(r⊥, z₀ + Δz)。（c）これらの3枚の蛍光細胞画像から再構成された位相分布。（d）再構成された屈折率揺らぎ Δn の空間分布、ならびに（e）減衰係数 μ の空間分布。（f）Δn(r⊥, z₀) と μ(r⊥, z₀) の相関パターン。黒実線は 3σ 信頼水準を表し、緑色の領域は本文中の妥当性条件式によって与えられる物理的パラメータ境界（妥当性領域）を示す。本サンプルでは 65,055 イベント（24.82%）が緑色の領域の外側に分布している。（g）光学的厚さ log₁₀|μΔz| に対する減衰非対称性 Aκ の依存性。青実線と青帯はそれぞれ Aκ の統計平均と二乗平均平方根（RMS）を、破線は Aκ = 0 を表す。