自然界存在眾多光線，能被人眼感受到的可見光只占很小一部分，比如人類就看不到紅外光。但最近的一項研究或許能讓人類具有紅外光感知能力。

前不久，中國科學技術大學生命科學與醫(yī)學部薛天研究組與美國馬薩諸塞州州立大學醫(yī)學院韓綱研究組合作，結合視覺神經生物醫(yī)學與創(chuàng)新納米技術，首次實現(xiàn)了動物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺。該研究成果已在線發(fā)表在國際權威期刊《細胞》上。

努力探索獲得夜視能力的方法

人類為何看不到紅外光？主要是由于紅外光光子能量較低。為了感知紅外光，眼睛的感光蛋白必須降低其吸收能量閾值，然而過低的能量閾值會使熱能更容易自發(fā)激發(fā)感光蛋白活性，從而影響探測信噪比。

“換句話說，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，這是由視網膜感光細胞中的感光蛋白所固有的理化特性所決定的。”項目負責人薛天告訴科技日報記者。

不僅人類，在生物的進化歷程中，尚未發(fā)現(xiàn)任何動物能夠基于感光蛋白感知波長超過700納米的紅外光，更沒有動物能夠在大腦中形成紅外光圖像視覺。不過已有研究證實，個別動物，如部分蛇類，可以通過溫度感知紅外光。

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。

為了獲取超過可見光譜范圍的信息，人類發(fā)明了以光電轉換和光電倍增技術為基礎的紅外夜視儀。但它有諸多缺陷，如笨重、佩戴后行動不便、需要靠有限的電池供電、可能被強光過曝、同可見光環(huán)境不兼容等。

為解決上述問題并發(fā)展裸眼無源紅外視覺拓展技術，從事視覺研究多年的薛天注意到韓綱研究組的一種轉換納米材料，這種材料就能夠把近紅外光轉換成可見光線——綠光。

紅外感知能力得到實驗驗證

“如果能將這種材料植入動物眼睛，那將非常有意義。”薛天說，科研人員研究出一種特異表面修飾方法，使該納米材料可以與感光細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胞表面。

“修飾后的納米顆粒就成為一種隱蔽的、無須外界供能的‘納米天線’。”論文第一作者、中國科學技術大學博士馬玉乾告訴記者，“我們將這種內置的‘納米天線’命名為pbUCNPs，即視網膜感光細胞特異結合的上轉換納米顆粒。”

為了能夠讓小鼠看見近紅外光，科研人員將含有納米顆粒的液體注射到小鼠眼睛中。但是，如何才能證明小鼠可以看見近紅外光，并知曉它們的近紅外視覺有多強呢？

研究人員進行了多種視覺神經生理實驗。瞳孔光反射實驗中，在近紅外光照射下，已注射小鼠的瞳孔產生收縮，而未注射小鼠的瞳孔沒有任何變化。

針對小鼠是夜行動物，喜歡黑暗的特性，研究人員設計了一個帶隔間的箱子，一個隔間全黑，一個用近紅外光照亮。觀察發(fā)現(xiàn)，已注射小鼠在黑暗隔間停留的時間更長，而未注射小鼠在兩個隔間的停留時間基本相同。研究人員表示，這兩個實驗證明小鼠的光感受器細胞被近紅外光激活，產生的信號通過視神經傳遞到小鼠大腦視覺皮質，小鼠具有感知紅外線的能力。

研究人員通過多種神經視覺生理實驗，從單細胞電生理記錄，在體視網膜電圖（ERG）和視覺誘發(fā)電位（VEP），到多層面的視覺行為學實驗，證明了從外周感光細胞到大腦視覺中樞，視網膜下腔注射pbUCNPs納米顆粒的小鼠不僅獲得感知紅外線的能力，還可以分辨復雜的紅外圖像。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。

“也就是說，動物可以同時看到可見光與紅外光圖像，并且可見光視覺不受到影響”薛天說，“這是令人興奮的發(fā)現(xiàn)。”

我們的“視界”或因此而拓展

“這項研究突破了傳統(tǒng)近紅外儀的局限，并發(fā)展出裸眼無源紅外視覺拓展技術，證明了人類擁有超級視覺能力的可能。”薛天告訴記者，像人類這樣的哺乳動物在視覺上只能處理可見光譜中的光線，這項技術未來或將使人類擁有“夜間視物”的超視能力。

科研人員的研究還發(fā)現(xiàn)，pbUCNPs納米材料具有良好的生物相容性。分子、細胞、組織器官以及動物行為的檢驗證明，該材料可以長期存在于動物視網膜，而對視網膜及動物視覺能力都沒有發(fā)現(xiàn)明顯負面影響。

據此，科研人員有信心地認為，這項技術有效拓展了動物的視覺波譜范圍，首次實現(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。

“這項技術未來或許能彌補‘視覺缺陷’。”薛天表示，通過開發(fā)具有不同吸收和發(fā)射光譜參數的納米材料，有可能輔助修復視覺感知波譜缺陷相關疾病，例如紅色色盲；這種可與感光細胞緊密結合的納米修飾技術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。