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植入纳米天线,人类或能夜间视物

时间:2019-10-21来源:科技日报

自然界存在众多光线,能被人眼感受到的可见光只占很小一部分,比如人类就看不到红外光。但最近的一项研究或许能让人类具有红外光感知能力。

前不久,中国科学技术大学生命科学与医学部薛天研究组与美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲研究组合作,结合视觉神经生物医学与创新纳米技术,首次实现了动物裸眼红外光感知和红外图像视觉。该研究成果已在线发表在国际权威期刊《细胞》上。

努力探索获得夜视能力的方法

人类为何看不到红外光?主要是由于红外光光子能量较低。为了感知红外光,眼睛的感光蛋白必须降低其吸收能量阈值,然而过低的能量阈值会使热能更容易自发激发感光蛋白活性,从而影响探测信噪比。

“换句话说,自然界中电磁波波谱范围很广,以波长划分由短至长包括γ射线、X射线、UV光、可见光、红外线、微波、无线电波等。能被我们眼睛感受的可见光只占电磁波谱里很小的一部分,这是由视网膜感光细胞中的感光蛋白所固有的理化特性所决定的。”项目负责人薛天告诉科技日报记者。

不仅人类,在生物的进化历程中,尚未发现任何动物能够基于感光蛋白感知波长超过700纳米的红外光,更没有动物能够在大脑中形成红外光图像视觉。不过已有研究证实,个别动物,如部分蛇类,可以通过温度感知红外光。

然而红外线广泛地存在于自然界中,对其探测感知将帮助我们获取超过可见光谱范围的信息。

为了获取超过可见光谱范围的信息,人类发明了以光电转换和光电倍增技术为基础的红外夜视仪。但它有诸多缺陷,如笨重、佩戴后行动不便、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。

为解决上述问题并发展裸眼无源红外视觉拓展技术,从事视觉研究多年的薛天注意到韩纲研究组的一种转换纳米材料,这种材料就能够把近红外光转换成可见光线——绿光。

红外感知能力得到实验验证

“如果能将这种材料植入动物眼睛,那将非常有意义。”薛天说,科研人员研究出一种特异表面修饰方法,使该纳米材料可以与感光细胞膜表面特异糖基分子紧密连接,从而牢牢地贴附在感光细胞表面。

“修饰后的纳米颗粒就成为一种隐蔽的、无须外界供能的‘纳米天线’。”论文第一作者、中国科学技术大学博士马玉乾告诉记者,“我们将这种内置的‘纳米天线’命名为pbUCNPs,即视网膜感光细胞特异结合的上转换纳米颗粒。”

为了能够让小鼠看见近红外光,科研人员将含有纳米颗粒的液体注射到小鼠眼睛中。但是,如何才能证明小鼠可以看见近红外光,并知晓它们的近红外视觉有多强呢?

研究人员进行了多种视觉神经生理实验。瞳孔光反射实验中,在近红外光照射下,已注射小鼠的瞳孔产生收缩,而未注射小鼠的瞳孔没有任何变化。

针对小鼠是夜行动物,喜欢黑暗的特性,研究人员设计了一个带隔间的箱子,一个隔间全黑,一个用近红外光照亮。观察发现,已注射小鼠在黑暗隔间停留的时间更长,而未注射小鼠在两个隔间的停留时间基本相同。研究人员表示,这两个实验证明小鼠的光感受器细胞被近红外光激活,产生的信号通过视神经传递到小鼠大脑视觉皮质,小鼠具有感知红外线的能力。

研究人员通过多种神经视觉生理实验,从单细胞电生理记录,在体视网膜电图(ERG)和视觉诱发电位(VEP),到多层面的视觉行为学实验,证明了从外周感光细胞到大脑视觉中枢,视网膜下腔注射pbUCNPs纳米颗粒的小鼠不仅获得感知红外线的能力,还可以分辨复杂的红外图像。值得指出的是,在获得红外视觉的同时,小鼠的可见光视觉没有受到影响。

“也就是说,动物可以同时看到可见光与红外光图像,并且可见光视觉不受到影响”薛天说,“这是令人兴奋的发现。”

我们的“视界”或因此而拓展

“这项研究突破了传统近红外仪的局限,并发展出裸眼无源红外视觉拓展技术,证明了人类拥有超级视觉能力的可能。”薛天告诉记者,像人类这样的哺乳动物在视觉上只能处理可见光谱中的光线,这项技术未来或将使人类拥有“夜间视物”的超视能力。

科研人员的研究还发现,pbUCNPs纳米材料具有良好的生物相容性。分子、细胞、组织器官以及动物行为的检验证明,该材料可以长期存在于动物视网膜,而对视网膜及动物视觉能力都没有发现明显负面影响。

据此,科研人员有信心地认为,这项技术有效拓展了动物的视觉波谱范围,首次实现裸眼无源的红外图像视觉感知,突破了自然界赋予动物的视觉感知物理极限。

“这项技术未来或许能弥补‘视觉缺陷’。”薛天表示,通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料,有可能辅助修复视觉感知波谱缺陷相关疾病,例如红色色盲;这种可与感光细胞紧密结合的纳米修饰技术还可以被赋予更多的创新性功能,如眼底药物的局部缓释、光控药物释放等。

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