【安徽日報】超級視覺 是怎樣「煉」成的

科研人員給小鼠眼睛注射上轉換納米顆粒。 本報記者 徐旻昊 攝

科研人員對眼睛注射了上轉換納米顆粒的小鼠進行眼端視網膜電圖檢測。 本報記者 徐旻昊 攝

本報記者 桂運安 自然界的神奇，有時候超越想像。貓頭鷹或某些蛇類擁有某種「超能力」，在夜間可以清晰「視物」，作為萬物靈長的人類卻不能。但如果人類肉眼可以看見近紅外光，就會擁有裸眼超級夜視能力，在漆黑的夜晚也能發現自然界的美麗。最近，中國科學技術大學薛天教授研究組與美國麻薩諸塞州州立大學醫學院韓綱教授研究組合作，在國際頂級學術期刊《細胞》上刊發論文，宣布首次實現哺乳動物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺能力，這意味著人類未來或將擁有裸眼超級夜視能力。

突破哺乳動物視覺極限

「這項技術有效地拓展了哺乳動物的視覺波譜範圍，首次實現裸眼無源的紅外圖像視覺感知，突破了自然界賦予哺乳動物的視覺感知物理極限。」薛天教授表示。2月28日（美東時間），國際頂級學術期刊《細胞》在線發表了中美科學家的這一合作成果，並重點推介了該成果，國際頂級學術期刊《自然》等對該成果也作了詳細介紹。「這項研究的突破之處在於，它證明小鼠可以接收到真實的圖像信息。」美國杜克大學神經科學家埃裡克·湯姆森說。

自然界中，人類肉眼可感知的可見光，僅佔電磁波普中很小的一部分，波長在400納米至700納米之間，包括組成彩虹中各種顏色的光。該論文共同第一作者、中國科學技術大學鮑進教授介紹，紫外線、紅外線像可見光一樣廣泛存在於自然界中，但哺乳動物由於缺乏特殊的感光蛋白，無法看到波長大於700納米的紅外線，也無法看到波長更短的紫外線，而比可見光波長更長或更短的電磁波，實際上攜帶著大量的環境信息。

「其實，一些蛇對近紅外光的感知，並不是對光線的感知，而是對熱的一種感知。」該論文第一作者、中國科學技術大學馬玉乾博士透露，目前，以光電轉換和光電倍增技術為基礎的紅外夜視儀有一系列缺陷，比如笨重、需靠有限的電池供電、可能被強光過曝、同可見光環境不兼容等。「夜視儀需要補光，它是利用光電倍增的放大效應。如果環境裡這種光很弱的話，再怎麼放大也看不清。」馬玉乾說。

「這個成果是在交流中迸發出來的火花。」鮑進坦言，薛天教授研究組與韓綱教授研究組在視覺神經和納米材料領域各有所長，他們合作把一種特殊的納米顆粒注射到小鼠眼中，讓小鼠看到了近紅外光，並能分辨複雜的紅外圖像。這些納米顆粒是「上轉換」納米顆粒，可以把近紅外光轉換為綠光。實驗表明，納米顆粒可以在小鼠眼中停留兩個月以上，不產生任何明顯的副作用。值得一提的是，這些顆粒並不會影響已注射小鼠的正常可見光視覺，小鼠可以同時看見近紅外光和可見光。

超級視覺是這麼煉成的

「近紅外光能量太弱，無法激發眼內的感受器產生信號。我們的工作就是通過注射人造的納米顆粒，讓其吸收低能量的近紅外線，讓多個近紅外光子合在一塊，轉化為一個高能量光子，最後產生可見光。」馬玉乾透露，他們在實驗中所採用的「上轉換」納米顆粒，由鉺、鐿兩種稀土金屬元素和表面修飾的ConA蛋白（刀豆蛋白A）組成，具有將低能量光轉換為高能量光的特性，這種納米顆粒可以將低能量的不可見光（包括遠紅外光）激發成高能量的可見光。

在這項研究中，科學家們製造出的納米顆粒像是微小的紅外光傳感器，可以緊密地附著於光感受器細胞上。當紅外光照射到視網膜時，這些納米顆粒能夠捕獲波長較長、能量較低的近紅外光，並發射出在可見光範圍內的波長較短、能量較高的光。附近的視杆細胞或視錐細胞吸收這些較短波長的光，並向大腦發送光誘發的神經電信號，就如同可見光直接照射到視網膜時一樣。

鮑進介紹，他們發展了一種特異表面修飾方法，使納米顆粒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感光外段的表面。多種神經視覺生理實驗證明，視網膜下腔注射納米顆粒的小鼠，不僅可以獲得感知紅外線的能力，還可以分辨複雜的紅外圖像。這些納米材料因為具有良好的生物相容性，可長期存在於動物視網膜中發揮作用，而對視網膜及動物視覺能力均沒有明顯負面影響。

小鼠不會說話，咋知道它能看到近紅外光？鮑進告訴記者，在一個叫「瞳孔光反射」的實驗中，他們用近紅外光照射已注射和未注射小鼠的眼睛，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。小鼠天生喜歡黑暗的地方，在一個叫「明暗箱」的實驗中，他們將一個黑暗的箱子分成兩部分，其中一側安放了近紅外光，結果已注射小鼠很少在有近紅外光的一側逗留，而未注射小鼠在兩側逗留的時間幾乎一致。這兩個實驗證明，已注射小鼠確實「感受」到了近紅外光。

經過「改造」的超級小鼠，能否分辨近紅外光圖像？薛天教授研究組使用了「水迷宮」實驗，水迷宮一端被分隔成兩個通道，一個救命平臺隱藏在其中一個通道末端，小鼠不願意待在水中，而救命平臺可以幫助小鼠從水中逃出來。他們用不同的近紅外光圖像來訓練小鼠，隨機把豎直和水平光柵圖像照射到通道兩端，而隱藏平臺僅在豎直光柵圖像末端。幾次嘗試後，已注射小鼠很快發現豎直光柵與隱藏平臺之間的關係，之後每次小鼠被放入水中，它們會迅速向豎直光柵圖像遊去。對於未注射小鼠，因為它們看不到近紅外光圖像，只是隨機在迷宮中遊來遊去，希望運氣可以幫助它們逃出去。當他們把豎直-水平光柵圖像，換成如三角-圓圈等其他圖像，結果一樣。這個實驗充分證明，已注射小鼠的確可以識別近紅外光圖像。

人類或將擁有超級夜眼

「這一突破性成果，未來有可能應用於人類，讓人類突破視覺極限。」鮑進表示，這項技術未來不僅能賦予人類超級視覺能力，在民用加密、搶險搜救、安全以及軍事領域有著廣泛的應用前景，而且通過開發具有不同吸收和發射光譜參數的納米材料，還有可能輔助修復紅色色盲等視覺感知波譜缺陷相關疾病。她透露，這種新型的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新性功能，如眼底藥物的局部緩釋，光控藥物釋放等，多種應用拓展已在相關實驗室展開。

「『上轉換』納米顆粒的轉化效率，還需要進一步提升。」鮑進介紹，他們已準備在一些大動物上做實驗，但目前還沒有在人眼上做實驗，人類是否有必要擁有超級裸眼夜視能力是一個存在爭議的話題，對於大多數普通人來說，可能沒有必要在黑暗視物。薛天介紹，其團隊採用的納米粒子含有重金屬，監管機構不太可能批准將其用於人體，因此他們團隊正在開發一種有機版本。「如果設計成可生物降解的材料，就能夠被視網膜後的色素上皮細胞吞噬並被代謝掉。」薛天說。

「由於材料還不夠高效，人類想要擁有超級夜視能力，還需要走很長的路。」美國賓夕法尼亞大學材料學家克裡斯·默裡說，以目前夜間物體周圍的近紅外光的強度來說，還並不足以激發這些納米顆粒產生連續清晰的圖像。此外，這些納米顆粒如果想要商業化，還需要通過漫長的美國食藥監局批准流程。而這個流程必須經過非人靈長動物的實驗，以及一系列安全實驗才符合標準，不是一兩年能完成的。不過，多名業界科學家坦言，這是一個重大的技術突破，未來的應用範圍可能更廣泛。

隨著科技的日新月異，集中智慧攻堅克難，成為一種發展趨勢。「我們的這一成果，也體現了集體的智慧。」馬玉乾坦言，每個實驗室或團隊可能都有自己的優勢，但單打獨鬥很難有突破性發現，需要交叉學科的糅合和相關團隊的優勢互補。「做研究重要的是感興趣，並且持之以恆。膽子大、有想法，敢於嘗試，是科學家很重要的品質。」鮑進表示，科學研究獨樂樂不如眾樂樂，在實驗室裡發現一個新現象，最開心的那一刻，就是把這個新現象告訴別人，與他人一起分享。

安徽日報 2019年03月26日

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