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突破 中美学者首次让哺乳动物裸眼“看见”红外线

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受限于视觉极限,人类基本无法靠肉眼在夜间行动自如。红外夜视仪可以帮助赋予“超级视觉”,但这种需要佩戴的仪器有着诸多缺陷:通常比较笨重、需要靠有限的电池供电、可能被强光过曝、同可见光环境不兼容等。

日前,中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授研究组与美国马萨诸塞州州立大学医学院(University of Massachusetts Medical School)韩纲教授研究组合作,结合视觉神经生物医学与创新纳米技术,首次实现动物裸眼红外光感知和红外图像视觉能力。该研究成果已发表于国际顶级期刊《细胞》(Cell)上,并被《细胞》杂志选为当期唯一科普视频进行重点推广。

成果发布后,这项创新技术引发关注,并被网友称为“夜视眼药水”。现阶段人类是否可以如此便捷地实现“超级视觉”?论文通讯作者之一、并列第一作者、中国科大生命科学与医学部教授鲍进日前在接受澎湃新闻记者(www.thepaper.cn)采访时表示,“目前还没有打算用于人,如果未来需要用在人身上,我们希望能设计出非注射的方法。”

  初衷:拓展视觉感受光谱

人类拥有复杂的视觉神经系统,视觉也是人类必不可少的感官形式。然而,人类的视觉系统只可探测到400纳米-700纳米之间的光,也就是可见光,只占自然界中电磁波波谱里很小的一部分。

电磁波和可见光波谱。电磁波和可见光波谱。

探测较长的波长,如人类最早发现的非可见光区域近红外光(NIR),对哺乳动物来说是一个充满诱惑但又极具挑战的“超能力”。 红外线(波长大于700纳米)广泛的存在于自然界中,对其的探测感知将帮助我们获取超过可见光谱范围的信息。

为此,人们发明了以光电转换和光电倍增技术为基础的红外夜视仪,但是其有一系列缺陷,比如通常比较笨重、需要靠有限的电池供电、可能被强光过曝、同可见光环境不兼容等。截至目前,哺乳动物肉眼无法看到近红外光,也无法将近红外光图像投射到大脑。

薛天、韩纲、鲍进等人结合材料科学和生物医学,试图让哺乳动物摆脱夜视仪更“天然”地获得“超级视觉”。

“上转换”纳米颗粒修饰技术及其在视网膜的功能实现。“上转换”纳米颗粒修饰技术及其在视网膜的功能实现。

论文显示,研究团队设计了一种可注射的、自供电的、内置的近红外光纳米天线,它可以将人类的视觉光谱扩展到近红外范围。这些视网膜光感受器结合“上转换”纳米颗粒(pbUCNPs)作为微型能量传感器,可以在哺乳动物小鼠体内将不可见的近红外光转化变成短波长的可见光绿光。

鲍进对澎湃新闻表示,“我们最初的想法就是拓展视觉感受广谱,在小鼠的眼底注射了一种含有‘上转换’纳米颗粒的液体,这种纳米颗粒可以将红外光转成可见光,使视网膜里的感光细胞可以对此响应。”研究团队还对纳米颗粒进行了修饰,使纳米颗粒可以牢牢固定在小鼠视网膜光感受器细胞的表面。

值得注意的是,首先需要关注的是这种材料是否安全?鲍进表示,“我们检验了小鼠注射后的生物相容性,结果显示相容性很好,副作用很微小,并且在注射后一周之内消失。并且,这个副作用并不是来源于纳米颗粒,而是注射本身带来的。”生物相容性指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能,一般是指材料与宿主之间的相容性。

论文显示,光感受器细胞被近红外光激活后产生的信号可以通过视神经传递到小鼠大脑视觉皮质,这些纳米颗粒可以在小鼠眼中停留2个月以上,不产生任何明显的副作用。

  巧妙设计实验让小鼠“告诉”所见

然而,小鼠并不能告诉科学家它们看到了什么。

“从单细胞记录感光细胞的光电流,到动物行为学的瞳孔光反射、明暗箱、水迷宫等。”鲍进提到,这些巧妙的实验帮助研究团队验证了小鼠眼睛具备的特异功能。

从不同水平证明注射小鼠获得红外图像视觉。

所谓的瞳孔光反射实验,即用近红外光照射已注射纳米颗粒和未注射纳米颗粒小鼠的眼睛,已注射小鼠的瞳孔产生收缩,而未注射小鼠的瞳孔未产生任何变化。

明暗箱。明暗箱。

接着,在“明暗箱”实验中,研究团队设计了一个联通隔间的箱子,一个隔间是完全黑的,另一个隔间用近红外光照亮。通常情况下,小鼠由于是夜间动物喜欢待在黑暗中。研究团队发现,已注射小鼠在完全黑暗中停留的时间更长,很少在有红外观的隔间里驻留。而未注射小鼠在两个隔间中停留的时间基本相同、来回穿梭。

上述两个实验证明,小鼠确实可以感受到近红外光。

但研究团队想让小鼠更清晰地“表达”出它们感受近红外光的能力,是否可以分辨近红外光图像?

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