自然界存在眾多光線，能被人眼感受到的可見(jiàn)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(xiàng)研究或許能讓人類具有紅外光感知能力。

前不久，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天研究組與美國(guó)馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱研究組合作，結(jié)合視覺(jué)神經(jīng)生物醫(yī)學(xué)與創(chuàng)新納米技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺(jué)。該研究成果已在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《細(xì)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(guò)低的能量閾值會(huì)使熱能更容易自發(fā)激發(fā)感光蛋白活性，從而影響探測(cè)信噪比。

“換句話說(shuō)，自然界中電磁波波譜范圍很廣，以波長(zhǎng)劃分由短至長(zhǎng)包括γ射線、X射線、UV光、可見(jiàn)光、紅外線、微波、無(wú)線電波等。能被我們眼睛感受的可見(jiàn)光只占電磁波譜里很小的一部分，這是由視網(wǎng)膜感光細(xì)胞中的感光蛋白所固有的理化特性所決定的。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人薛天告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

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

然而紅外線廣泛地存在于自然界中，對(duì)其探測(cè)感知將幫助我們獲取超過(guò)可見(jiàn)光譜范圍的信息。

為了獲取超過(guò)可見(jiàn)光譜范圍的信息，人類發(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。但它有諸多缺陷，如笨重、佩戴后行動(dòng)不便、需要靠有限的電池供電、可能被強(qiáng)光過(guò)曝、同可見(jiàn)光環(huán)境不兼容等。

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

紅外感知能力得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

“如果能將這種材料植入動(dòng)物眼睛，那將非常有意義。”薛天說(shuō)，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(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)胞表面。

“修飾后的納米顆粒就成為一種隱蔽的、無(wú)須外界供能的‘納米天線’。”論文第一作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士馬玉乾告訴記者，“我們將這種內(nèi)置的‘納米天線’命名為pbUCNPs，即視網(wǎng)膜感光細(xì)胞特異結(jié)合的上轉(zhuǎn)換納米顆粒。”

為了能夠讓小鼠看見(jiàn)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(jiàn)近紅外光，并知曉它們的近紅外視覺(jué)有多強(qiáng)呢？

研究人員進(jìn)行了多種視覺(jué)神經(jīng)生理實(shí)驗(yàn)。瞳孔光反射實(shí)驗(yàn)中，在近紅外光照射下，已注射小鼠的瞳孔產(chǎn)生收縮，而未注射小鼠的瞳孔沒(méi)有任何變化。

針對(duì)小鼠是夜行動(dòng)物，喜歡黑暗的特性，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)帶隔間的箱子，一個(gè)隔間全黑，一個(gè)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(shí)間更長(zhǎng)，而未注射小鼠在兩個(gè)隔間的停留時(shí)間基本相同。研究人員表示，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)證明小鼠的光感受器細(xì)胞被近紅外光激活，產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)視神經(jīng)傳遞到小鼠大腦視覺(jué)皮質(zhì)，小鼠具有感知紅外線的能力。

研究人員通過(guò)多種神經(jīng)視覺(jué)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(jué)誘發(fā)電位（VEP），到多層面的視覺(jué)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明了從外周感光細(xì)胞到大腦視覺(jué)中樞，視網(wǎng)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(fù)雜的紅外圖像。值得指出的是，在獲得紅外視覺(jué)的同時(shí)，小鼠的可見(jiàn)光視覺(jué)沒(méi)有受到影響。

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

我們的“視界”或因此而拓展

“這項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)近紅外儀的局限，并發(fā)展出裸眼無(wú)源紅外視覺(jué)拓展技術(shù)，證明了人類擁有超級(jí)視覺(jué)能力的可能。”薛天告訴記者，像人類這樣的哺乳動(dòng)物在視覺(jué)上只能處理可見(jiàn)光譜中的光線，這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)或?qū)⑹谷祟悡碛?ldquo;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(xì)胞、組織器官以及動(dòng)物行為的檢驗(yàn)證明，該材料可以長(zhǎng)期存在于動(dòng)物視網(wǎng)膜，而對(duì)視網(wǎng)膜及動(dòng)物視覺(jué)能力都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯負(fù)面影響。

據(jù)此，科研人員有信心地認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)有效拓展了動(dòng)物的視覺(jué)波譜范圍，首次實(shí)現(xiàn)裸眼無(wú)源的紅外圖像視覺(jué)感知，突破了自然界賦予動(dòng)物的視覺(jué)感知物理極限。

“這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)或許能彌補(bǔ)‘視覺(jué)缺陷’。”薛天表示，通過(guò)開(kāi)發(fā)具有不同吸收和發(fā)射光譜參數(shù)的納米材料，有可能輔助修復(fù)視覺(jué)感知波譜缺陷相關(guān)疾病，例如紅色色盲；這種可與感光細(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。