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为什么要发展哺乳动物裸眼红外图像视觉？
对红外线的探测感知将帮助我们获取超过可见光谱范围的信息，而以光电转换和光电倍增技术为基础的红外夜视仪仍存在有一系列缺陷。
自然界中的电磁波波谱
自然界中电磁波波谱范围很广，以波长划分由短至长包括γ射线、X射线、UV光、可见光、红外线、微波、无线电波等。能被我们的眼睛感受的可见光只占电磁波谱里很小的一部分（图1），可见光谱区大约在400-700nm之间，这是由眼睛视网膜里感光细胞中的感光蛋白所固有的物理化学特性所决定的【1】。对于>700 nm的红外光，由于其光子能量较低，感光蛋白（opsin）必须降低其吸收能量阈值才能够吸收感知红外光子，然而过低的能量阈值会使热能更容易自发激发感光蛋白，从而影响探测信噪比。因此,在生物的进化历程中没有出现任何基于感光蛋白的能够感知超过700 nm的红外光的动物感光细胞，更无法在大脑中形成红外光图像视觉。（个别动物如部分蛇类的红外线感知能力是通过温度感知实现的）
红外夜视仪存在局限性
然而红外线广泛的存在于自然界中，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，但是这样的红外夜视仪有一系列缺陷，比如通常比较笨重佩戴后行动不方便、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，中国科大薛天教授研究组同美国马萨诸塞州州立大学医学院（University of Massachusetts Medical School）韩纲教授研究组合作，尝试利用一种可吸收红外光发出可见光的上转换纳米材料，导入动物视网膜中以实现红外视觉感知。
中科大首次实现哺乳动物裸眼红外图像视觉
这些结果清晰地表明，此项技术有效的拓展了动物的视觉波谱范围，首次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知物理极限。
2019年02月28日，薛天教授研究组与韩纲教授研究组合作在Cell发表了题为Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae的研究论文，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。值得一提的是，该论文被Cell杂志选为本期唯一科普视频进行了重点推广（详情请点击视频链接：纳米粒子赋予哺乳动物近红外视觉_腾讯视频）。
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，并使纳米颗粒能够长时间的留存在视网膜感光细胞层，研究人员发展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（图2）。这样修饰后的纳米颗粒成为一种隐蔽的、无需外界供能的“纳米天线”，研究人员给这种内置的“纳米天线”命名为pbUCNPs (photoreceptor-binding Upconversion Nanoparticles)，即视网膜感光细胞特异结合的上转换纳米颗粒。
突破自然界赋予动物的视觉知物理极限
此外，研究人员还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（ERG）和视觉诱发电位（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pbUCNP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（图3）。值得指出的是，在获得红外视觉的同时，小鼠的可见光视觉没有受到影响。而且令人兴奋的是动物可以同时看到可见光与红外光图像。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、细胞到组织器官以及动物行为的检验证明，pbUCNPs纳米材料可长期存在于动物视网膜中发挥作用，而对视网膜及动物视觉能力均没有明显负面影响。这些结果清晰地表明，此项技术有效的拓展了动物的视觉波谱范围，首次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知物理极限。
应用前景
这项技术不仅能赋予我们超级视觉能力，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。这种新型的可与感光细胞紧密结合的纳米修饰技术还可以被赋予更多的创新性功能，如眼底药物的局部缓释，光控药物释放等。更多的生物医学创新将在理工医交叉融合的推动下结出硕果。
据悉，中国科大生医部生命学院博士生马玉乾、特聘教授鲍进以及美国韩纲研究组张原玮博士为该论文的共同第一作者。中国科大薛天教授为首要通讯作者（Lead Contact），鲍进教授、韩纲教授为论文的共同通讯作者。
论文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1
参考文献：
Wyszecki, G., and Stiles, W.S. (1982). Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae, Second edition (John Wiley and Sons).
专家点评
张嘉漪（复旦大学脑科学研究院PI，青年千人，主要从事视觉系统的信息处理相关研究）、张凡（复旦大学化学系教授，杰青，主要从事生物纳米技术相关研究）
纳米技术使小鼠看到红外光
自然环境中的光主要来源于太阳辐射的电磁波，覆盖紫外、可见和红外等三个波长范围。人类的视网膜是感光器官，能感知可见光（390-700nm），由视网膜传输到大脑视觉中枢的信息占大脑接受外界信息的80%，影响从环境探索到社会交流等大部分行为。由于视网膜中缺乏感知红外的光感受器，人类和小鼠等哺乳动物无法通过视觉系统感知红外光。
红外光提供自然环境中与生存密切相关的夜间视觉和温度等信息。蛇等爬行类动物头部的凹陷窝有感知红外光的热敏的离子通道，激活后能通过神经活动使蛇感受到红外光的分布。因此，不借助外界工具，发展自身感知红外光的能力，可以帮助人类在复杂环境中通过视觉信息做出迅速和正确的判断。
2月28日发表在Cell上的工作发现，将纳米颗粒注射到小鼠眼底，10周内小鼠都具有红外光感，在日光下能区分物体的形状。该工作是由中国科技大学的薛天教授、鲍进研究员和美国麻省大学医学院的Gang Han教授合作完成的。
该工作中使用的上转换纳米颗粒，可以将980nm的红外光转变为535nm的绿光。作者利用配体交换的方法将上转换纳米颗粒表面配体由油酸改性为聚丙烯酸，从而使其能够配位结合伴刀豆球凝集素A蛋白，而伴刀豆球凝集素A蛋白能与视网膜中的光感受器外层上的糖蛋白形成糖苷键，纳米颗粒被注射到眼底后能与视网膜中的光感受器紧密结合，并且具有很好的生物相容性，注射到眼底后并不会造成副作用。环境中的980nm 红外光进入眼睛后，纳米颗粒将其转化为绿光，被小鼠原生的光感受器感知，从而形成识别红外光图像的能力。
当红外光照射在结合有纳米颗粒的光感受器上，离体视网膜的光感受器上能产生与绿光照射相似的光电流，在视觉皮层中也能记录到红外光引起的视觉诱发电位。在行为学表现上，眼底注射了纳米颗粒的小鼠能对红外光产生缩瞳反射，并识别明暗箱中的明区和暗区，证明纳米颗粒能使小鼠感知红外光。此外，通过包含红外光图像的水迷宫等行为学实验，证明纳米颗粒还能在可见光的环境中使小鼠区分不同形状的红外图像。
这一基于上转换纳米颗粒的小鼠红外视觉工作，有望将人类的视觉拓展到红外光波长范围，从而使红外光也纳入到“可见”的范围内。工作中纳米颗粒的表面改性功能化，也是一种可普适化的结合无机纳米材料与各类生物功能蛋白的方法，在生物纳米装置的开发研究中具有潜在应用价值。
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来源：知乎 www.zhihu.com
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