作者:程唯珈 卜叶 来源: 中国科学报 发布时间:2019/3/19 9:46:50
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帮动物炼就“火眼金睛”
新研究提示人类未来有望拥有超级视觉能力

马玉乾指导硕士生实验 卫敏摄

■本报见习记者 程唯珈 卜叶

自然界存在众多光线,能被人类眼睛感受到的可见光只占其中很小一部分,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。

近日,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能力。该研究成果已在线发表于《细胞》。

“该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,提示了人类拥有超级视觉能力的可能。”该论文通讯作者薛天告诉《中国科学报》,“未来,更多的生物医学创新将在理工医交叉融合下结出硕果。”

架起红外线与眼睛的“天线”

人类为何看不到红外光?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。

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。

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。但红外夜视仪有诸多缺陷,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,该材料可以把近红外光转换成可见光线——绿光。

“如果能将这种材料应用在动物眼睛上,那将是非常有应用价值的事。”薛天说。设想只是研究的第一步,如何缩短该材料与感光细胞的距离,提高感光蛋白的红外敏感度,切实让该材料发挥作用是关键。为此,研究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《中国科学报》,“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。”

“我看见了红外光”

研究人员将含有纳米颗粒的液体注射到小鼠眼睛中,让小鼠看见近红外。如何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?

为此,研究人员进行了多种视觉神经生理实验。在瞳孔光反射实验中,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。

但已注射小鼠是否可以分辨近红外光图像呢?研究人员想到用Y形水迷宫测试小鼠的图像识别能力。水迷宫的一端被分隔为两个通道,一个平台隐藏在通道末端,平台也成为不愿意长时间待在水里的小鼠的“诺亚方舟”。

研究人员用不同的近红外光图像训练小鼠,他们随机把竖直和水平光栅图像照射到通道两端,而隐藏的平台仅在竖直光栅图像一端。几次尝试后,已注射小鼠很快发现了竖直光栅图像与隐藏平台的关系,并迅速向竖直光栅图像游去。而未注射小鼠看不见近红外图像,只是随机在迷宫中游来游去。此后,研究人员将竖直光栅变成圆形、三角形,得到了相同的结果。

薛天介绍,这个实验证明已注射小鼠可以分辨复杂的红外图像,并且在获得红外视觉的同时,小鼠的可见光视觉不受到影响,也就是说,动物可以同时看到可见光与红外光图像。“这是令人兴奋的发现。”

有望治疗“视觉缺陷”

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,该材料可以在小鼠眼中停留两个月以上,长期存在于动物视网膜,而对视网膜及动物视觉能力均未发现明显负面影响。

研究人员表示,此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。

相关论文信息:DOI:10.1016/j.cell.2019.01.038

《中国科学报》 (2019-03-19 第1版 要闻)
 
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