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馬玉乾指導(dǎo)碩士生實驗 衛(wèi)敏攝
　　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(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天研究組與美國馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱研究組合作，結(jié)合視覺神經(jīng)生物醫(yī)學(xué)與創(chuàng)新納米技術(shù)，首次實現(xiàn)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(fā)表于《細胞》。
　　“該研究突破了傳統(tǒng)近紅外儀的局限，并發(fā)展出裸眼無源紅外視覺拓展技術(shù)，提示了人類擁有超級視覺能力的可能?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡哐μ旄嬖V《中國科學(xué)報》，“未來，更多的生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新將在理工醫(yī)交叉融合下結(jié)出碩果?！?br/>　　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(fā)激發(fā)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(fā)現(xiàn)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(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(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)，從事視覺研究多年的薛天注意到韓綱研究組的一種轉(zhuǎn)換納米材料，該材料可以把近紅外光轉(zhuǎn)換成可見光線——綠光。
　　“如果能將這種材料應(yīng)用在動物眼睛上，那將是非常有應(yīng)用價值的事?！毖μ煺f。設(shè)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(fā)揮作用是關(guān)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(xué)技術(shù)大學(xué)博士馬玉乾告訴《中國科學(xué)報》，“我們將這種內(nèi)置的‘納米天線’命名為pbUCNPs ，即視網(wǎng)膜感光細胞特異結(jié)合的上轉(zhuǎn)換納米顆粒?！?br/>　　“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(jīng)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(chǎn)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(shè)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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生的信號通過視神經(jīng)傳遞到小鼠大腦視覺皮質(zhì)，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(xùn)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(fā)現(xiàn)了豎直光柵圖像與隱藏平臺的關(guān)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(jié)果。
　　薛天介紹，這個實驗證明已注射小鼠可以分辨復(fù)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?！斑@是令人興奮的發(fā)現(xiàn)?！?br/>　　有望治療“視覺缺陷”
　　研究還發(fā)現(xiàn)，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(wǎng)膜，而對視網(wǎng)膜及動物視覺能力均未發(fā)現(xiàn)明顯負面影響。
　　研究人員表示，此項技術(shù)有效拓展了動物的視覺波譜范圍，首次實現(xiàn)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(shù)未來或許能彌補‘視覺缺陷’?！毖μ毂硎荆ㄟ^開發(fā)具有不同吸收和發(fā)射光譜參數(shù)的納米材料，有可能輔助修復(fù)視覺感知波譜缺陷相關(guān)疾病，例如紅色色盲；這種可與感光細胞緊密結(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，如眼底藥物的局部緩釋、光控藥物釋放等。
　　（原載于《中國科學(xué)報》 2019-03-19 第1版 要聞)