中美學(xué)者首次實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物紅外視覺能力

擁有一雙“夜眼”，就能在夜間看清物體，這個(gè)夢(mèng)想即將變成現(xiàn)實(shí)。日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天教授研究組與美國(guó)馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱教授研究組合作，結(jié)合視覺神經(jīng)生物醫(yī)學(xué)與創(chuàng)新納米技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺能力?？蒲腥藛T通過實(shí)驗(yàn)，讓小老鼠擁有了“夜眼”，實(shí)現(xiàn)了“夜視”。

自然界中電磁波波譜范圍很廣，其中能被我們的眼睛感受的可見光只占電磁波波譜里很小的一部分，哺乳動(dòng)物無法看到大于700nm的紅外線，這是由感光蛋白所固有的物理化學(xué)特性所決定的。然而紅外線廣泛存在于自然界中，對(duì)其的探測(cè)感知將幫助我們獲取超過可見光譜范圍的信息。為此人們發(fā)明了以光電轉(zhuǎn)換和光電倍增技術(shù)為基礎(chǔ)的紅外夜視儀，但是其有一系列缺陷，比如通常比較笨重、需要靠有限的電池供電、可能被強(qiáng)光過曝、同可見光環(huán)境不兼容等。

為解決上述問題并發(fā)展裸眼無源紅外視覺拓展技術(shù)，中國(guó)科大薛天研究組同美國(guó)馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱研究組合作，嘗試?yán)靡环N可吸收紅外光發(fā)出可見光的上轉(zhuǎn)換納米材料，導(dǎo)入動(dòng)物視網(wǎng)膜中，以實(shí)現(xiàn)紅外視覺感知。體外感光細(xì)胞單細(xì)胞光電生理記錄證實(shí)，這種納米材料確實(shí)可以在吸收紅外光之后，激發(fā)小鼠視桿細(xì)胞電活動(dòng)。為了縮短納米顆粒與感光細(xì)胞的距離，從而提高紅外敏感度，并使其能夠長(zhǎng)時(shí)間地留存在視網(wǎng)膜感光細(xì)胞層，研究人員發(fā)展了一種特異表面修飾方法，使其可以與感光細(xì)胞膜表面特異糖基分子緊密連接，從而牢牢地貼附在感光細(xì)胞感光外段的表面。研究人員通過多種神經(jīng)視覺生理實(shí)驗(yàn)，從單細(xì)胞電生理記錄，在體視網(wǎng)膜電圖(ERG)和視覺誘發(fā)電位(VEP)，到多層面的視覺行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明了從外周感光細(xì)胞到大腦視覺中樞，視網(wǎng)膜下腔注射納米顆粒的小鼠不僅獲得感知紅外線的能力，還可以分辨復(fù)雜的紅外圖像。

值得指出的是，在獲得紅外視覺的同時(shí)，小鼠的可見光視覺沒有受到影響。而且令人興奮的是，動(dòng)物可以同時(shí)看到可見光與紅外光圖像。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，pbUCNPs納米材料具有良好的生物相容性，從分子、細(xì)胞到組織器官以及動(dòng)物行為的檢驗(yàn)證明，pbUCNPs納米材料可長(zhǎng)期存在于動(dòng)物視網(wǎng)膜中發(fā)揮作用，而對(duì)視網(wǎng)膜及動(dòng)物視覺能力均沒有明顯負(fù)面影響。這些結(jié)果清晰地表明，此項(xiàng)技術(shù)有效地拓展了動(dòng)物的視覺波譜范圍，首次實(shí)現(xiàn)裸眼無源的紅外圖像視覺感知，突破了自然界賦予動(dòng)物的視覺感知物理極限。

這項(xiàng)技術(shù)不僅能賦予我們超級(jí)視覺能力，通過開發(fā)具有不同吸收和發(fā)射光譜參數(shù)的納米材料，還有可能輔助修復(fù)與視覺感知波譜缺陷相關(guān)的疾病，例如紅色色盲。這種新型的可與感光細(xì)胞緊密結(jié)合的納米修飾技術(shù)還可以被賦予更多的創(chuàng)新性功能，例如眼底藥物的局部緩釋，光控藥物釋放等。多種應(yīng)用拓展已經(jīng)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)室展開。

據(jù)悉，這項(xiàng)研究成果于2019年2月28日(美國(guó)東部時(shí)間)在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Cell上，并被Cell雜志選為本期唯一科普視頻進(jìn)行重點(diǎn)推廣。(常河)

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