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      奥运会冰球可以打架吗:我国学者合作研究在实现哺乳动物裸眼获得红外图像视觉能力上取得重要进展

      日期 2019-03-11   来源:医学科学部   作者:李洋 李萃  【 】   【打印】   【关闭

      北京虎仔冰球俱乐部 www.t7z4.net   在国家自然科学基金委员会项目(批准号:81790644, 61890953, 31322024)等资助下,中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授课题组与美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲教授课题组合作,结合视觉神经生物医学与创新纳米技术,首次实现动物裸眼红外光感知和红外图像视觉能力。研究成果以“Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae”(可注射自主赋能的视网膜纳米天线赋予哺乳动物近红外图像视觉)为题,于2019年2月28日在线发表于Cell(《细胞》)上。马玉乾、鲍进和张原玮为并列第一作者,薛天、韩纲和鲍进为该文章的共同通讯作者。该论文被选为该期在线版本唯一科普视频介绍。文章和视频链接: https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1。

        自然界中电磁波波谱范围很广,其中能被我们眼睛感受的可见光只占电磁波谱里很小的一部分。哺乳动物无法看到大于700 nm的红外线,这是由感光蛋白所固有的物理化学特性所决定的。然而红外线广泛存在于自然界中,对其的探测感知将帮助我们获取超过可见光谱范围的信息。为此人们发明了以光电转换和光电倍增技术为基础的红外夜视仪,但现有设备尚有一些缺陷,如通常比较笨重、需要靠有限的电池供电、可能被强光过曝、同可见光环境不兼容等。

        为解决上述问题并发展裸眼无源红外视觉拓展技术,薛天教授课题组同韩纲教授课题组合作,尝试利用一种可吸收红外光并能够将红外光转化为可见光的上转换纳米材料,将其导入动物视网膜中以实现红外视觉感知。体外感光细胞单细胞光电生理记录证实这种纳米材料确实可以吸收红外光后激发小鼠视杆细胞电活动。为了缩短纳米颗粒与感光细胞的距离,从而提高红外敏感度,并使其能够长时间留存在视网膜感光细胞层,研究人员探索了一种特异表面修饰方法,使其可以与感光细胞膜表面特异糖基分子紧密连接,从而牢牢地贴附在感光细胞感光外段的表面,修饰后的上转换纳米颗粒被称为光感受器结合型上转换纳米颗粒(Photoreceptor-binding upconversion nanoparticles, pbUCNPs )。研究人员通过多种神经视觉生理实验,从单细胞电生理记录,在体视网膜电图(Electroretinogram, ERG)和视觉诱发电位(Visual evoked potential, VEP),到多层面的视觉行为学实验,证明了从外周感光细胞到大脑视觉中枢,视网膜下腔注射纳米颗粒的小鼠不仅获得感知红外线的能力,还可以分辨复杂的红外图像。值得指出的是,在获得红外视觉的同时,小鼠不仅可见光视觉没有受到影响,还可以看到可见光与红外光图像。此外,研究人员发现pbUCNPs具有良好的生物相容性。这些结果表明,此项技术有效地拓展了动物的视觉波谱范围,实现裸眼无源的红外图像视觉感知,突破了自然界赋予动物的视觉感知物理极限。

        该技术不仅能赋予超级视觉能力,通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料,还有可能辅助修复视觉感知波谱缺陷相关疾病,例如红色色盲。此外,这种新型的可与感光细胞紧密结合的纳米修饰技术还可被赋予更多的创新性功能,例如眼底药物的局部缓释,光控药物释放等,目前多种应用拓展已经在相关实验室展开。

      图. 上转换纳米颗粒经过表面修饰后可与感光细胞特异结合,修饰后的上转换纳米颗粒被称为pbUCNPs。注射了pbUCNPs的小鼠获得了红外光感知和红外图像视觉能力。




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