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2019-03-05 17:09:12
中美學者首次實現哺乳動物紅外視覺能力
2019-03-05 17:09:12 來源: 光明日報
擁有一雙“夜眼”，就能在夜間看清物體，這個夢想即將變成現實。日前，中國科學技術大學生命科學與醫學部薛天教授研究組與美國馬薩諸塞州州立大學醫學院韓綱教授研究組合作，結合視覺神經生物醫學與創新納米技術，首次實現動物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺能力。科研人員通過實驗，讓小老鼠擁有了“夜眼”，實現了“夜視”。
自然界中電磁波波譜范圍很廣，其中能被我們的眼睛感受的可見光只占電磁波波譜里很小的一部分，哺乳動物無法看到大于700nm的紅外線，這是由感光蛋白所固有的物理化學特性所決定的。然而紅外線廣泛存在于自然界中，對其的探測感知將幫助我們獲取超過可見光譜范圍的信息。為此人們發明了以光電轉換和光電倍增技術為基礎的紅外夜視儀，但是其有一系列缺陷，比如通常比較笨重、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，中國科大薛天研究組同美國馬薩諸塞州州立大學醫學院韓綱研究組合作，嘗試利用一種可吸收紅外光發出可見光的上轉換納米材料，導入動物視網膜中，以實現紅外視覺感知。體外感光細胞單細胞光電生理記錄證實，這種納米材料確實可以在吸收紅外光之后，激發小鼠視桿細胞電活動。為了縮短納米顆粒與感光細胞的距離，從而提高紅外敏感度，并使其能夠長時間地留存在視網膜感光細胞層，研究人員發展了一種特異表面修飾方法，使其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感光外段的表面。研究人員通過多種神經視覺生理實驗，從單細胞電生理記錄，在體視網膜電圖(ERG)和視覺誘發電位(VEP)，到多層面的視覺行為學實驗，證明了從外周感光細胞到大腦視覺中樞，視網膜下腔注射納米顆粒的小鼠不僅獲得感知紅外線的能力，還可以分辨復雜的紅外圖像。
值得指出的是，在獲得紅外視覺的同時，小鼠的可見光視覺沒有受到影響。而且令人興奮的是，動物可以同時看到可見光與紅外光圖像。同時，研究人員發現，pbUCNPs納米材料具有良好的生物相容性，從分子、細胞到組織器官以及動物行為的檢驗證明，pbUCNPs納米材料可長期存在于動物視網膜中發揮作用，而對視網膜及動物視覺能力均沒有明顯負面影響。這些結果清晰地表明，此項技術有效地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。
這項技術不僅能賦予我們超級視覺能力，通過開發具有不同吸收和發射光譜參數的納米材料，還有可能輔助修復與視覺感知波譜缺陷相關的疾病，例如紅色色盲。這種新型的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，例如眼底藥物的局部緩釋，光控藥物釋放等。多種應用拓展已經在相關實驗室展開。
據悉，這項研究成果于2019年2月28日(美國東部時間)在線發表于國際頂級期刊Cell上，并被Cell雜志選為本期唯一科普視頻進行重點推廣。(常河)
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