科学巨献：中科大首次实现动物裸眼红外光感知，未来人类将获超级视觉

智多星老师

3月1日，记者从中国科学技术大学了解到，该校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。这项技术不仅能赋予人类超级视觉能力，在民用安全和军事方面的应用潜力也很大。通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料，还有可能辅助修复视觉感知波谱缺陷相关疾病。


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谱里很小的一部分，哺乳动物无法看到大于700 nm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。“这也是为什么我们发明出红外夜视仪，红外探测器等等装备来帮助我们检测红外线。那么，如果我们能够不借助复杂的设备直接肉眼看到显然会更有利，更便捷，这是我们研究的初衷。”薛天教授说。红外线广泛的存在于自然界中，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。

决上述问题并发展裸眼无源红外视觉拓展技术，中国科大薛天教授研究组同美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲教授研究组合作，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。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。

常规上转换纳米材料有很多种类型，要选择一个合适小鼠眼睛看到的波长的光线的纳米材料却不是一件容易的事。“我们发现很多材料虽然可以在体外和体内激发感光细胞，但是敏感度不够高，并不能达到通过常规低能量红外LED光源就能让小鼠看到的程度。这些纳米材料进入到小鼠眼睛后也很容易出现分布不均的情况，”薛天教授说，“我们就通过改造让这种纳米材料能够很好地结合到感光细胞的表面，形成一层均匀附着在感光细胞上的纳米材料。改造后的红外光感受灵敏度提高了至少一个数量级，这样就达到了我们的预期的可使用的范围。”


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，此项技术有效的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人类超级视觉能力，通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料，还有可能辅助修复视觉感知波谱缺陷相关疾病，例如红色色盲。薛天教授表示，“在一些眼科疾病治疗方面，我们已经在尝试的一个应用就是对于色盲患者视觉波普缺陷的修复，特别是红色色盲。另外，因为这种纳米颗粒的生物相容性特别好，可以存在于视网膜较长的时间。我们准备将其改造为药物释放载体，并且因为眼球是透光的，我们甚至可以用光控制药物的缓释。”
据了解，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。

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中科大厉害了

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