中美学者首次实现哺乳动物红外视觉能力

2019-03-05 16:13:12 来源: 光明日报

拥有一双“夜眼”,就能在夜间看清物体,这个梦想即将变成现实。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。科研人员通过实验,让小老鼠拥有了“夜眼”,实现了“夜视”。

自然界中电磁波波谱范围很广,其中能被我们的眼睛感受的可见光只占电磁波波谱里很小的一部分,哺乳动物无法看到大于700nm的红外线,这是由感光蛋白所固有的物理化学特性所决定的。然而红外线广泛存在于自然界中,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。

为解决上述问题并发展裸眼无源红外视觉拓展技术,中国科大薛天研究组同美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲研究组合作,尝试利用一种可吸收红外光发出可见光的上转换纳米材料,导入动物视网膜中,以实现红外视觉感知。体外感光细胞单细胞光电生理记录证实,这种纳米材料确实可以在吸收红外光之后,激发小鼠视杆细胞电活动。为了缩短纳米颗粒与感光细胞的距离,从而提高红外敏感度,并使其能够长时间地留存在视网膜感光细胞层,研究人员发展了一种特异表面修饰方法,使其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感光外段的表面。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。而且令人兴奋的是,动物可以同时看到可见光与红外光图像。同时,研究人员发现,pbUCNPs纳米材料具有良好的生物相容性,从分子、细胞到组织器官以及动物行为的检验证明,pbUCNPs纳米材料可长期存在于动物视网膜中发挥作用,而对视网膜及动物视觉能力均没有明显负面影响。这些结果清晰地表明,此项技术有效地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。

这项技术不仅能赋予我们超级视觉能力,通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料,还有可能辅助修复与视觉感知波谱缺陷相关的疾病,例如红色色盲。这种新型的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,例如眼底药物的局部缓释,光控药物释放等。多种应用拓展已经在相关实验室展开。

据悉,这项研究成果于2019年2月28日(美国东部时间)在线发表于国际顶级期刊Cell上,并被Cell杂志选为本期唯一科普视频进行重点推广。

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