幫動物煉就“火眼金睛”

馬玉乾指導碩士生實驗

　　自然界存在眾多光線，能被人類眼睛感受到的可見光只占其中很小一部分，比如人類就看不到紅外光。但最近的一項研究或許能讓人類具有紅外光感知能力。

　　近日，中國科學技術大學生命科學與醫學部薛天研究組與美國馬薩諸塞州州立大學醫學院韓綱研究組合作，結合視覺神經生物醫學與創新納米技術，首次實現了動物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺能力。該研究成果已在線發表于《細胞》。

　　“該研究突破了傳統近紅外儀的局限，并發展出裸眼無源紅外視覺拓展技術，提示了人類擁有超級視覺能力的可能。”該論文通訊作者薛天告訴《中國科學報》，“未來，更多的生物醫學創新將在理工醫交叉融合下結出碩果。”

　　架起紅外線與眼睛的“天線”

　　人類為何看不到紅外光？紅外光光子能量較低。為了感知紅外光，眼睛的感光蛋白必須降低其吸收能量閾值，然而過低的能量閾值會使熱能更容易自發激發感光蛋白活性，從而影響探測信噪比。

　　不僅人類，在生物的進化歷程中，尚未發現任何動物能夠基于感光蛋白感知波長超過700納米的紅外光，更沒有動物能夠在大腦中形成紅外光圖像視覺。不過已有研究證實，個別動物，如部分蛇類，可以通過溫度感知紅外光。

　　為了獲取超過可見光譜范圍的信息，人類發明了以光電轉換和光電倍增技術為基礎的紅外夜視儀。但紅外夜視儀有諸多缺陷，如笨重、佩戴后行動不便、需要靠有限的電池供電、可能被強光過曝、同可見光環境不兼容等。

　　為解決上述問題并發展裸眼無源紅外視覺拓展技術，從事視覺研究多年的薛天注意到韓綱研究組的一種轉換納米材料，該材料可以把近紅外光轉換成可見光線——綠光。

　　“如果能將這種材料應用在動物眼睛上，那將是非常有應用價值的事。”薛天說。設想只是研究的第一步，如何縮短該材料與感光細胞的距離，提高感光蛋白的紅外敏感度，切實讓該材料發揮作用是關鍵。為此，研究人員研究出一種特異表面修飾方法，使該納米材料可以與感光細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胞表面。

　　“修飾后的納米顆粒就成為一種隱蔽的、無須外界供能的‘納米天線’。”論文第一作者、中國科學技術大學博士馬玉乾告訴《中國科學報》，“我們將這種內置的‘納米天線’命名為pbUCNPs ，即視網膜感光細胞特異結合的上轉換納米顆粒。”

　　“我看見了紅外光”

　　研究人員將含有納米顆粒的液體注射到小鼠眼睛中，讓小鼠看見近紅外。如何證明小鼠可以看見近紅外光并知曉它們的近紅外視覺有多強呢？

　　為此，研究人員進行了多種視覺神經生理實驗。在瞳孔光反射實驗中，在近紅外光照射下，已注射小鼠的瞳孔產生收縮，而未注射小鼠的瞳孔沒有任何變化。針對小鼠是夜行動物，喜歡黑暗的特性，研究人員設計了一個帶隔間的箱子，一個隔間全黑，一個用近紅外光照亮。觀察發現，已注射小鼠在黑暗隔間停留的時間更長，而未注射小鼠在兩個隔間的停留時間基本相同。研究人員表示，這兩個實驗證明小鼠的光感受器細胞被近紅外光激活，產生的信號通過視神經傳遞到小鼠大腦視覺皮質，小鼠具有感知紅外線的能力。

　　但已注射小鼠是否可以分辨近紅外光圖像呢？研究人員想到用Y形水迷宮測試小鼠的圖像識別能力。水迷宮的一端被分隔為兩個通道，一個平臺隱藏在通道末端，平臺也成為不愿意長時間待在水里的小鼠的“諾亞方舟”。

　　研究人員用不同的近紅外光圖像訓練小鼠，他們隨機把豎直和水平光柵圖像照射到通道兩端，而隱藏的平臺僅在豎直光柵圖像一端。幾次嘗試后，已注射小鼠很快發現了豎直光柵圖像與隱藏平臺的關系，并迅速向豎直光柵圖像游去。而未注射小鼠看不見近紅外圖像，只是隨機在迷宮中游來游去。此后，研究人員將豎直光柵變成圓形、三角形，得到了相同的結果。

　　薛天介紹，這個實驗證明已注射小鼠可以分辨復雜的紅外圖像，并且在獲得紅外視覺的同時，小鼠的可見光視覺不受到影響，也就是說，動物可以同時看到可見光與紅外光圖像。“這是令人興奮的發現。”

　　有望治療“視覺缺陷”

　　研究還發現，pbUCNPs納米材料具有良好的生物相容性。分子、細胞、組織器官以及動物行為的檢驗證明，該材料可以在小鼠眼中停留兩個月以上，長期存在于動物視網膜，而對視網膜及動物視覺能力均未發現明顯負面影響。

　　研究人員表示，此項技術有效拓展了動物的視覺波譜范圍，首次實現裸眼無源的紅外圖像視覺感知，突破了自然界賦予動物的視覺感知物理極限。

　　“這項技術未來或許能彌補‘視覺缺陷’。”薛天表示，通過開發具有不同吸收和發射光譜參數的納米材料，有可能輔助修復視覺感知波譜缺陷相關疾病，例如紅色色盲；這種可與感光細胞緊密結合的納米修飾技術還可以被賦予更多的創新性功能，如眼底藥物的局部緩釋、光控藥物釋放等。