令人难以置信的实验为小鼠提供红外视觉 - 人类可能是下一个

特殊的纳米颗粒附着在杆状体和锥状体上通过将纳米颗粒注射到老鼠的眼睛中,科学家们让老鼠能够看到近红外光——一种啮齿类动物通常看不到的波长。

令人难以置信的实验为小鼠提供红外视觉 - 人类可能是下一个

在小鼠的光感受器中,特殊的纳米颗粒(白色)附着在杆状体(左侧)和锥状体(右侧)上

通过将纳米颗粒注射到老鼠的眼睛中,科学家们让老鼠能够看到近红外光——一种啮齿类动物(或人类)通常看不到的波长。这是一项非凡的成就,一项更加非凡的成就是意识到类似的技术可以用于人类。

在这些年来对老鼠所做的所有研究中,今天在科学杂志“细胞”中描述的这一最新成就是最具科幻性的。

由中国科技大学的薛天和马萨诸塞大学医学院的韩纲领导的一个研究小组修改了老鼠的视力,使他们能够看到近红外光(NIR),此外保持他们看到正常光线的自然能力。这是通过在眼睛中注入特殊纳米粒子来实现的,效果持续约10周,没有任何严重的副作用。

一系列的测试表明,老鼠确实看到了红外线,而不是其他的刺激。研究人员说,人类的眼睛和老鼠的眼睛并没有太大的不同,这使得将类似的技术应用于人类的前景十分广阔。

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人类和老鼠只能看到有限范围的电磁波谱,这里用彩虹状的波段表示。其他动物,包括鸟类,可以看到紫外线。

人类和老鼠一样,只能看到有限范围的电磁波谱。人类看不见的波长范围很广,因此我们看不到所谓的可见光谱以外的任何东西(波长在380到740纳米之间)。红外辐射以波长较长的形式存在于光谱中,范围从大约800纳米到1毫米。过去的红外线是波长更长的微波和无线电波

世界上的物体,无论是人还是滚烫的一碗汤,还是像冰块一样看似冰冷的物体,在释放热量时都会发出红外辐射。像人类和老鼠这样的哺乳动物是看不见近红外的,但是我们有技术,即夜视或热视镜,可以将这种原本看不见的光谱转换成我们可以看到的形式。用在老鼠身上的新技术做了一些类似的事情,但科学家们没有依赖可穿戴技术,而是直接进入了这项业务的生物学领域。

为了让老鼠看到普通视觉光谱之外的东西,薛和韩开发了一种特殊的“上转换”纳米颗粒,这种颗粒能够在老鼠已有的眼睛结构中发挥作用。将含有微小颗粒的液体直接注入他们的眼睛,在那里,他们使用特殊的锚,紧紧地附着在感光细胞上。光感受器细胞——杆状细胞和锥状细胞——通常吸收进入大脑的可见光的波长,大脑将其解释为视觉。然而,在实验中,新引入的纳米粒子将入射的近红外转化为可见波长,然后老鼠的大脑能够将其作为视觉信息进行处理(在这种情况下,他们将近红外视为绿光)。这些纳米颗粒附着了近两个月,使小鼠能够看到近红外和可见光,副作用最小。

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当红外光(红色)到达光感受器细胞(浅绿色圆圈)时,纳米颗粒(粉色圆圈)将光转换成可见的绿光

本质上,光感受器细胞上的纳米颗粒充当红外线的传感器或转换器。较长的红外波长被纳米粒子捕捉到视网膜中,然后纳米粒子将其在可见光范围内以较短的波长进行转导。杆状体和锥状体是为了吸收较短的波长而建造的,因此它们能够接受这种信号,然后将这种向上转换的信息发送到视觉皮层进行处理。具体地说,注入的粒子吸收了波长约为980纳米的近红外光谱,并将其转换为波长为535纳米的光。对老鼠来说,这就转化为看到绿色的红外光。结果类似于用夜视镜观察近红外,只不过老鼠也能保持正常的可见光视野。如前所述,这种效果是暂时的,持续几周,一些老鼠的眼角膜混浊,很快就会消失。

为了证明这种方法的有效性,薛和韩进行了一系列的测试和实验。

例如,注射老鼠的瞳孔在暴露于近红外辐射时变得扩大,而没有注射的老鼠的瞳孔则没有。当只暴露在近红外辐射下时,对注射小鼠大脑电活动的测量显示,眼睛和视觉皮层的功能就像在可见光下一样。

行为测试也表明这种方法是有效的。放置在y形水迷宫中的老鼠被教会识别隐藏平台的位置以寻求庇护,该平台由nir灯光显示。在实验中,注射的老鼠始终定位在平台上,而没有注射的老鼠则在迷宫中随机游动。另一项测试涉及一个有两个隔间的盒子:一个完全黑暗,没有任何光线,另一个用近红外(NIR)照射。老鼠是夜间活动的动物,喜欢在黑暗中活动。在实验中,注射的老鼠在黑暗的隔间里呆的时间更长,而未注射的老鼠没有表现出任何偏好。

薛天教授在一份新闻稿中说,纳米颗粒附着在视杆细胞和视锥细胞上,并被近红外光激活,因此“我们相信这项技术同样适用于人类眼睛,不仅可以产生超视觉,还可以用于治疗人类红色视觉缺陷。”在接受《细胞》杂志采访时,他进一步阐述道:与老鼠不同的是,人类和其他灵长类动物的视网膜中有一个叫做中央凹的结构,它调节着高度的中央视力。在人的中央凹中,锥细胞的密度远远高于杆状细胞的密度;而在小鼠视网膜中,杆状细胞的数量占主导地位。由于锥细胞与杆状细胞相比具有不同的光谱和对光的强度敏感性,我们可能需要对UCNP的发射光谱进行微调,以更有效地激活人类的一种特定类型的锥细胞。

所以这种治疗方法必须经过修改才能让人类发挥作用,但新的实验表明,这是有可能的。获得看到红外线的能力似乎是科幻小说和超人类幻想的内容,但这无疑是一个有用的能力。我们可以看到各种各样超出我们正常视觉范围的东西,而且我们可以有效地拥有内置的夜视功能。薛教授向《细胞》杂志解释说:人类一直在努力开发新技术,使我们拥有超出自然能力的能力。人类自然视觉所能感知的可见光只占电磁波谱的很小一部分。比可见光长或短的电磁波携带的信息要多得多……根据不同的材料,物体也可以有不同的近红外吸收和反射。我们无法用肉眼发现那个信息。

展望未来,薛教授和韩教授希望通过由fda批准的化合物组成的有机纳米颗粒来改进这项技术,从而获得更明亮的红外视力。他们还想调整这项技术,使其更适应人类生物学。薛和韩对这项技术的发展前景表示乐观,他们已经申请了一项与他们的工作相关的专利。

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