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中国科大实现哺乳动物裸眼红外图像视觉能力

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-03-19 编辑:生活故事

资料来源:中国科技大学发布日期:2019/3/1 14:433603360336055

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China University of Science and Technology实现哺乳动物裸眼红外图像的视觉能力

中国科技大学生命科学与医学系薛天教授的研究团队与美国麻省大学医学院韩刚教授的研究团队首次合作,通过将视觉神经生物医学与创新纳米技术相结合,实现动物的裸眼红外光感知和红外图像视觉能力。 研究结果于2019年2月28日(美国东部时间)在线发表在顶级国际期刊《Cell》上,并被《Cell》杂志选为本期唯一聚焦推广的科普视频。

在自然界中,电磁波谱范围很广,包括伽马射线、x光、紫外光、可见光、红外线、微波、无线电波等。波长从短到长划分。我们眼睛能感觉到的可见光只占电磁波谱的一小部分(图1),电磁波谱是由眼睛视网膜感光细胞中光蛋白的固有物理和化学性质决定的。对于700纳米红外光,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测红外光子。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,在生物进化过程中,没有基于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。(单个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。电磁波和可见光光谱

然而,红外线广泛存在于自然界,它的探测和传感将帮助我们获得可见光光谱范围以外的信息。为此,人们发明了基于光电转换和光电倍增管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,如佩戴后移动不便、电池供电有限、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,中国科技大学薛天教授的研究团队和美国麻省州立大学医学院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。体外感光细胞单细胞的光电生理记录证实,这种纳米材料确实能够吸收红外光,刺激小鼠杆状细胞的电活性。为了缩短纳米粒子和感光细胞之间的距离,从而提高红外灵敏度,使纳米粒子能够长时间保留在视网膜感光细胞层中,研究人员开发了一种特定的表面修饰方法,使它们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(图2)。改性纳米粒子成为一个隐藏的“纳米天线”,没有外部电源。研究人员将内置“纳米天线”命名为PBUCNPS(光接收器结合上转换纳米粒子),即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,小鼠从外周感光细胞到脑视觉中心向视网膜下腔注射pbUCNP纳米粒子,不仅可以获得感知红外线的能力,而且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)到多级视觉行为实验,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pbUCNPs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测试证明,pbUCNPs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,该技术有效地拓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,突破了自然界赋予动物视觉感知的物理极限。

图3。不同水平注射小鼠红外图像视觉验证

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,如红色色盲。这种新的纳米修饰技术可以与感光细胞紧密结合,也可以赋予更具创新性的功能,如眼底药物的局部缓释、光控释等。在科学技术交叉融合的推动下,更多的生物医学创新将结出硕果。

马玉干,中国科技大学卫生与医学科学系生命学院博士生,杰出的金宝教授和美国朝鲜黑帮研究小组的张沅薇博士是论文的共同主要作者。中国科技大学的薛天教授是论文的主要联系人,金宝教授和韩刚教授是论文的共同作者。中国科技大学是本书的第一作者和最后一个通讯单位。该研究得到了基金委员会眼科重大项目“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与发展计划和中国科学院战略试点科技项目(二)的支持。该项目也是国际科研资助机构“人类前沿科学计划”的青年科学家资助项目。这项工作还得到了中国科技大学化学与材料科学研究所秋苹课题组、蒋宏远课题组和吴宇恩课题组的仪器和技术支持。

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