中国科大实现哺乳动物裸眼红外图像视觉能力

中国科技大学生命科学与医学系薛天教授的研究团队和美国麻省大学医学院韩刚教授的研究团队合作，首次将视觉神经生物医学与创新纳米技术相结合，实现了动物的肉眼红外光感知和红外图像视觉能力。该研究结果于2019年2月28日(美国东部时间)在*国际期刊《细胞》上在线发布，并被《细胞》杂志选为唯一一部重点推广的科普视频。

自然界的电磁波谱非常广泛，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仅占电磁波谱的一小部分(图1)，这是由眼睛视网膜感光细胞中光蛋白固有的物理和化学性质决定的。对于大于700纳米的红外光，由于其光子能量低，光蛋白(opsin)必须降低其吸收能量阈值来吸收和感知红外光。然而，低能量阈值将使热能更容易自发激发光蛋白，从而影响检测信噪比。因此，在生物进化的过程中，没有基于感光蛋白的动物感光细胞能够感知超过700纳米的红外光，并且它们不能在大脑中形成红外图像视觉。(个别动物如一些蛇的红外感应能力是通过温度感应实现的)

图1。电磁和可见光谱

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。为此，人们发明了基于光电转换和光电倍增技术的红外夜视装置。然而，这种红外夜视装置存在一系列缺陷，如严重磨损后移动不便、电池供电受限、强光可能过度照射、与可见光环境不兼容等。

图2。创新的上转换纳米粒子修饰技术及其在视网膜中的功能实现

为了解决上述问题，发展裸眼被动红外视觉扩展技术，中国科技大学的薛天教授的研究团队和美国麻省州立大学医学院的韩刚教授的研究团队正在合作尝试使用一种能够吸收红外光并发射可见光的上转换纳米材料引入动物视网膜实现红外视觉感知。体外光感受器细胞单细胞的光电生理记录证实，这种纳米材料确实能吸收红外光并刺激鼠杆细胞的电活动。为了缩短纳米粒子与感光细胞之间的距离，从而提高红外灵敏度并使纳米粒子能够长时间保留在视网膜的感光细胞层中，研究人员开发了一种特定的表面修饰方法，该方法使纳米粒子能够与感光细胞膜表面的特定糖基分子紧密连接，从而牢固地附着在感光细胞外段的表面上(图2)。修饰后的纳米粒子成为一个隐藏的“纳米天线”，无需外部电源。研究人员将内置“纳米天线”命名为PBU·CNPS(光接收器-结合上转换纳米粒子)，即由视网膜感光细胞特异性结合的上转换纳米粒子。

研究人员已经证明，将pbUCNP纳米粒子注射到视网膜下腔从外周感光细胞到脑视觉中心的小鼠，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，来区分复杂的红外图像(图3)。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。更令人兴奋的是，动物可以同时看到可见光和红外图像。同时，研究人员发现多溴联苯醚纳米材料具有良好的生物相容性。从分子、细胞到组织器官和动物行为的试验证明，多溴联苯醚纳米材料可以在动物视网膜中长期存在并发挥作用，但对视网膜和动物视觉能力没有明显的负面影响。这些结果清楚地表明，该技术有效地扩展了动物的视觉光谱范围，首次实现了肉眼被动红外图像视觉感知，突破了自然赋予动物视觉感知的物理极限。

图3。从注射的小鼠获得的红外图像视觉在不同水平上得到证实

这项技术不仅可以通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料赋予我们超强的视觉能力，还可以帮助修复与视觉感知光谱缺陷相关的疾病，如红色盲。这种新的纳米修饰技术可以与感光细胞紧密结合，还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。在科技交叉融合的推动下，更多的生物医学创新将结出硕果。

中国科技大学卫生与医学系生命科学系博士生马玉干、美国韩岗研究小组杰出教授金宝和张沅薇博士是本文的共同主要作者。中国科技大学的薛天教授是主要联系人，金宝教授和韩刚教授是本文的共同作者。中国科技大学是这部作品的第一作者和最后一个通讯单位。本研究得到了基金委眼科重大项目“神经视觉损伤与修复机制研究”、杰出青年基金、科技部国家重点基础研究发展计划和中国科学院科技战略试点项目(B)的支持。该项目也是由国际科学研究资助机构“人类前沿科学计划”资助的年轻科学家项目。这项工作还得到了中国科学技术大学化学与材料科学研究所王课题组、蒋宏远课题组和课题组的仪器技术支持。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.038