中国科大在实现哺乳动物裸眼红外图像视觉上取得进展 2019-02-28

中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授研究组与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,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。该研究成果于2019228日(美东时间)在线发表于国际顶级期刊《Cell》上,并被《Cell》杂志选为本期唯一科普视频进行重点推广(文末可点击视频观看)。

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。能被我们眼睛感受的可见光只占电磁波谱里很小的一部分(图1),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。对于>700nm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,在生物进化历程中没有出现任何基于感光蛋白的能够感知超过700nm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)

1. 电磁波和可见光波谱

然而红外线广泛地存在于自然界中,对其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。

2. 创新的上转换纳米颗粒修饰技术及其在视网膜的功能实现

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。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。

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(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,此项技术有效地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感知物理极限。

3. 从不同水平证明注射小鼠获得红外图像视觉

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。

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。中国科学技术大学为本项工作的第一作者和最后通讯作者单位。该研究得到基金委医学部眼科相关“神经性视觉损伤与修复的机制研究”重大项目、优秀青年基金、科技部国家重点基础研究发展计划、中科院战略性先导科技专项(B)类资助。该课题也是国际科研资助机构“人类前沿科学计划 (Human Frontier Science Program)”的青年科学家资助项目。该工作还得到中国科学技术大学工程科学学院王秋平课题组、姜洪源课题组以及化学和材料科学学院吴宇恩课题组的仪器与技术支持。

论文链接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1


(生命科学学院、科研部、新闻中心)


     
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