中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天教授研究組與美國馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院（University of Massachusetts Medical School）韓綱教授研究組合作，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(shí)現(xiàn)動物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺能力。該研究成果于2019年2月28日（美東時間）在線發(fā)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(jìn)行重點(diǎn)推廣。
自然界中電磁波波譜范圍很廣，以波長劃分由短至長包括γ射線、X射線、UV光、可見光、紅外線、微波、無線電波等。能被我們眼睛感受的可見光只占電磁波譜里很小的一部分（圖1），這是由眼睛視網(wǎng)膜里感光細(xì)胞中的感光蛋白所固有的物理化學(xué)特性所決定的。對于>700nm的紅外光，由于其光子能量較低，感光蛋白（opsin）必須降低其吸收能量閾值才能夠吸收感知紅外光子，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，從而影響探測信噪比。因此，在生物進(jìn)化歷程中沒有出現(xiàn)任何基于感光蛋白的能夠感知超過700nm的紅外光的動物感光細(xì)胞，更無法在大腦中形成紅外光圖像視覺。（個別動物如部分蛇類的紅外線感知能力是通過溫度感知實(shí)現(xiàn)的）
圖1. 電磁波和可見光波譜
然而紅外線廣泛地存在于自然界中，對其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(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，但是這樣的紅外夜視儀有一系列缺陷，比如通常比較笨重佩戴后行動不方便、需要靠有限的電池供電、可能被強(qiáng)光過曝、同可見光環(huán)境不兼容等。
圖2. 創(chuàng)新的上轉(zhuǎn)換納米顆粒修飾技術(shù)及其在視網(wǎng)膜的功能實(shí)現(xiàn)
為解決上述問題并發(fā)展裸眼無源紅外視覺拓展技術(shù)，中國科大薛天教授研究組同美國馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱教授研究組合作，嘗試?yán)靡环N可吸收紅外光發(fā)出可見光的上轉(zhuǎn)換納米材料，導(dǎo)入動物視網(wǎng)膜中以實(shí)現(xiàn)紅外視覺感知。體外感光細(xì)胞單細(xì)胞光電生理記錄證實(shí)這種納米材料確實(shí)可以吸收紅外光后激發(fā)小鼠視桿細(xì)胞電活動。為了縮短納米顆粒與感光細(xì)胞的距離，從而提高紅外敏感度，并使納米顆粒能夠長時間留存在視網(wǎng)膜感光細(xì)胞層，研究人員發(fā)展了一種特異表面修飾方法，使其可以與感光細(xì)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(xì)胞感光外段的表面（圖2）。這樣修飾后的納米顆粒成為一種隱蔽的、無需外界供能的“納米天線”，研究人員給這種內(nèi)置的“納米天線”命名為pbUCNPs (photoreceptor-binding Upconversion Nanoparticles), 即視網(wǎng)膜感光細(xì)胞特異結(jié)合的上轉(zhuǎn)換納米顆粒。
研究人員通過多種神經(jīng)視覺生理實(shí)驗(yàn)，從單細(xì)胞電生理記錄，在體視網(wǎng)膜電圖（ERG）和視覺誘發(fā)電位（VEP），到多層面的視覺行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明了從外周感光細(xì)胞到大腦視覺中樞，視網(wǎng)膜下腔注射pbUCNP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(fù)雜的紅外圖像（圖3）。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(fā)現(xiàn)pbUCNPs納米材料具有良好的生物相容性，從分子、細(xì)胞到組織器官以及動物行為的檢驗(yàn)證明，pbUCNPs納米材料可長期存在于動物視網(wǎng)膜中發(fā)揮作用，而對視網(wǎng)膜及動物視覺能力均沒有明顯負(fù)面影響。這些結(jié)果清晰地表明，此項(xiàng)技術(shù)有效地拓展了動物的視覺波譜范圍，首次實(shí)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。
圖3. 從不同水平證明注射小鼠獲得紅外圖像視覺
這項(xiàng)技術(shù)不僅能賦予我們超級視覺能力，通過開發(fā)具有不同吸收和發(fā)射光譜參數(shù)的納米材料，還有可能輔助修復(fù)視覺感知波譜缺陷相關(guān)疾病，例如紅色色盲。這種新型的可與感光細(xì)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。更多的生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新將在理工醫(yī)交叉融合的推動下結(jié)出碩果。
中國科大生醫(yī)部生命學(xué)院博士生馬玉乾、特聘教授鮑進(jìn)以及美國韓綱研究組張原瑋博士為該論文的共同第一作者。中國科大薛天教授為首要通訊作者（Lead Contact），鮑進(jìn)教授、韓綱教授為論文的共同通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為本項(xiàng)工作的第一作者和最后通訊作者單位。該研究得到基金委醫(yī)學(xué)部眼科相關(guān)“神經(jīng)性視覺損傷與修復(fù)的機(jī)制研究”重大項(xiàng)目、優(yōu)秀青年基金、科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B）類資助。該課題也是國際科研資助機(jī)構(gòu)“人類前沿科學(xué)計劃 (Human Frontier Science Program)”的青年科學(xué)家資助項(xiàng)目。該工作還得到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院王秋平課題組、姜洪源課題組以及化學(xué)和材料科學(xué)學(xué)院吳宇恩課題組的儀器與技術(shù)支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1
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