植入纳米天线，人类或能夜间视物

自然界中有许多光，肉眼能感觉到的可见光只占很小一部分。例如，人类看不见红外线。但是最近的一项研究可能使人类能够感知红外光。

不久前，中国科技大学生命科学与医学系的薛天研究团队和美国麻省州立大学医学院的韩刚研究团队，结合视觉神经生物医学和创新性纳米技术，首次实现了动物的肉眼红外光感知和红外图像视觉。研究结果已经在国际权威期刊《细胞》上发表。

努力探索获得夜视能力的途径

为什么人类看不到红外线？这主要是由于红外光的光子能量低。为了感知红外光，眼睛的光蛋白必须降低其能量吸收阈值。然而，低能量阈值将使热能更容易自发地激发光蛋白活性，从而影响检测信噪比。

“换句话说，自然界的电磁波谱非常广，包括伽马射线、x光、紫外光、可见光、红外线、微波、无线电波等。从短到长的波长划分。我们眼睛能感知的可见光只占电磁波谱的一小部分，这是由视网膜感光细胞中光蛋白的固有物理和化学性质决定的。”项目负责人薛天告诉《科学日报》。

不仅人类如此，在生物进化过程中，还没有发现任何动物能够感知基于光蛋白的波长超过700纳米的红外光，也没有任何动物能够在大脑中形成红外图像视觉。然而，研究证实，个别动物，如一些蛇，可以通过温度感知红外光。

然而，红外线在自然界中广泛存在，它的探测和感知将帮助我们获得可见光谱之外的信息。

为了获取可见光谱范围以外的信息，人类发明了基于光电转换和光电倍增管技术的红外夜视。然而，它也有许多缺点，如笨重、佩戴后移动不便、需要有限的电池电源、可能被强光过度照射、与可见光环境不兼容等。

为了解决上述问题，开发裸眼被动红外视觉扩展技术，从事视觉研究多年的薛天注意到韩刚课题组的一种转换纳米材料，可以将近红外光转换成可见光-绿光。

实验验证了红外传感能力。

"如果这种材料能植入动物的眼睛，那将是非常有意义的."薛天说，研究人员已经开发出一种特殊的表面修饰方法，使纳米材料能够与感光细胞表面的特定糖基分子紧密结合，从而牢固地附着在感光细胞表面。

“经过修饰的纳米粒子变成了一个隐藏的‘纳米天线’，无需外部电源。”该论文的第一作者、中国科技大学博士马玉干告诉记者，“我们将这种内置‘纳米天线’命名为pbUCNPs，这是一种由视网膜感光细胞特异性结合的上转换纳米粒子。”

为了让老鼠看到近红外光，研究人员将含有纳米颗粒的液体注入老鼠的眼睛。然而，我们如何证明老鼠能看到近红外光，并知道它们的近红外光视觉有多强？

研究人员进行了各种视觉神经生理学实验。在瞳孔光反射实验中，在近红外光的照射下，注射小鼠的瞳孔收缩，而未注射小鼠的瞳孔没有变化。

鉴于老鼠是夜行动物，喜欢黑暗，研究人员设计了一个带隔间的盒子。一个隔间完全是黑色的，另一个被近红外光照亮。观察发现，注射的老鼠在黑暗的隔间里呆的时间更长，而未注射的老鼠在两个隔间里呆的时间基本相同。研究人员说，这两项实验证明，老鼠的感光细胞被近红外光激活，产生的信号通过视神经传递到老鼠大脑的视觉皮层。老鼠有能力感知红外光。

研究人员已经证明，小鼠从外周光感受器细胞到脑视觉中心向视网膜下腔内注射多溴环十二烷纳米粒子，不仅可以获得感知红外线的能力，还可以通过各种神经视觉生理实验，从单细胞电生理记录、体内视网膜电图(ERG)和视觉诱发电位(VEP)到多层次视觉行为实验，区分复杂的红外图像。值得指出的是，在获得红外视觉的同时，小鼠的可见光视觉不受影响。

“换句话说，动物可以同时看到可见光和红外图像，可见光视觉不受影响，”薛天说。“这是一个令人兴奋的发现。”

因此，我们的“视野”可能会扩大。

“本研究突破了传统近红外仪器的局限性，展示了裸眼被动红外视觉扩展技术，证明了人类拥有超强视觉能力的可能性。”薛天告诉记者，像人类这样的哺乳动物只能在可见光范围内进行视觉处理，这项技术可能会让人类在未来拥有“夜间观察物体”的能力。

研究人员还发现多溴联苯醚纳米材料具有良好的生物相容性。通过对分子、细胞、组织和器官以及动物行为的测试，证明该材料可以在动物的视网膜中长期存在，对动物的视网膜和视觉能力没有明显的负面影响。

据此，研究人员自信地认为，该技术有效地扩大了动物的视觉光谱范围，首次实现了肉眼被动红外图像的视觉感知，突破了自然赋予动物视觉感知的物理极限。

"这项技术可能会在未来弥补‘视觉缺陷’。"薛天说，通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料，有可能帮助修复与视觉光谱缺陷相关的疾病，如红色盲。纳米修饰技术可以与感光细胞紧密结合，也可以赋予其更多的创新功能，如眼底药物的局部缓释、光控释等。