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中美科学家测试超级小鼠,具有夜视能力,突破哺乳动物视觉极限

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发表于 2019-9-7 05:26:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
拥有某种超能力,去完成一些常人做不了的事,谁还没有过这种幻想呢?但有些科学家,却真的把开发一种“超能力”当成了自己的目标——用肉眼看到红外线。

在近日举行的2019 年秋季的美国化学学会(American Chemical Society, ACS)全国会议暨博览会上,美国马萨诸塞州州立大学医学院的韩纲教授,报告了依靠纳米粒子让普通老鼠的眼睛可以看到近红外光研究的进展。他表示,该研究可能在未来的某一天,真正赋予人类“天生的”夜视能力。

这项研究是由韩纲研究组和中国科学技术大学生命科学与医学部的薛天教授研究组合作进行的。同时,也是人类首次成功让动物拥有裸眼红外光感知和红外图像视觉的能力。



图 | 韩纲在美国化学学会的全国会议暨博览会上的视频截图(来源:YouTube)

扩展人类的可视范围
“黑夜给了我黑色的眼睛,我却用它寻找光明”,诗人顾城的这句话相信很多人都听过,但人们可以看到的“光明”是有一定限制的。通常我们将电磁波谱中人眼可以感知的部分叫做“可见光”。

一般人的眼睛可以感知的电磁波波长范围在 400 nm ~ 760 nm 之间,但也有一部分人可以看得更广些,大约能感知 380 nm ~ 780 nm 之间的电磁波。

其他哺乳动物的可视范围与人类很接近,这个可视范围是由视网膜中感光细胞里的感光蛋白所固有的物理化学特性所决定的。

通常情况下,波长大于 700 nm 的红外光,因为红外光子的能量较低,低于眼内的感光蛋白能够吸收并感知的下限,所以人们无法看到。然而,如果降低感光蛋白的下限范围,就会使其受到热辐射的干扰,仍然会影响视觉感知。

电影《纵横四海》中,周润发、张国荣和钟楚红用装满红酒的高脚杯来观察展览馆中的红外线感知器,但在现实中,这是不可能的。不过,看过这项研究之后,未来可能就不好说了。



图 | 电磁波和可见光谱(来源:Wiki)

近红外区域是人们最早发现的非可见光区域,其波长刚好处于人类可感知范围之外,在 780 nm ~ 2526 nm 的波长之间。

而韩纲和他的同事们让老鼠可以看到的,正是在这个范围内的光线。

目前,人们要在黑暗中看清事物,需要依靠红外热像仪(热图像照相机)来检测生物或其他物体发出的近红外辐射的方式实现。但这些设备通常体积较大,不便携带和使用。

因此,韩纲和他的团队就设想:是否能通过在老鼠的眼睛里注射一种叫做“稀土上转换发光材料”(upconversion nanoparticles,UCNPs)的特殊纳米材料,来让老鼠获得近红外视觉。

这种特殊的纳米材料中含有稀土元素铒(Er)和镱(Yb),可以将近红外的低能光子转换为哺乳动物眼睛能看到的高能绿光。

对此,该项目的首席研究员韩纲在展示时说:“当人们观察宇宙时,只能看到可见光。但如果我们拥有近红外视觉,就能以一种全新的方式去看到宇宙。人们或许能够直接用肉眼进行红外线天文观测,也可能在没有笨重的辅助设备的情况下拥有夜视能力。”

在小鼠眼睛里的实验
今年早些时候,韩纲和他的研究团队在 Cell 杂志上发表一项相关研究。他们通过在小鼠眼睛里的感光细胞表面附着一种与糖分子结合的蛋白质,成功将 UCNPs 靶向到了感光细胞上。随后,他们在把结合了 UCNPs 的感光细胞注射到小鼠的视网膜后面。

为了确定接受过注射的老鼠是否拥有看到并且在精神上感知处理近红外光线的能力,研究小组设计了几项生理和行为测试。其中一项实验是将老鼠放入一个 Y 形水箱中,水箱的其中一个分支是通往平台的“逃生通道”,可以让老鼠爬上去从水中脱困。

研究人员训练老鼠向着一个三角形的可见光游去,这个三角形标识指向“生路”;而另一条则是“死路”,采用同样可见光的圆形标识来指引。在经过许多次训练之后,研究人员将标识的可见光换成近红外光。

韩纲表示:“注射了 UCNPs 感光细胞的老鼠,每次都能明确地向着三角形标识的岔路游去,但没有注射过的老鼠则会在光线替换后,无法分辨哪条路可以逃生。”


图 | 整体研究过程:首先将 UCNPs 靶向到感光细胞上,再将其注射到老鼠眼睛的视网膜后,最后进行测试(来源:Cell)

尽管研究团队观测到,UCNPs 在老鼠眼睛里存在了超过 10 周的时间里,并没有引起任何明显的副作用。但是,韩纲认为在考虑是否要在人类身上做实验之前,还是需要进一步提高这种特殊纳米材料的安全性和敏感性。

韩纲在会议上说:“早些时间发表的论文中的 UCNPs 是无机的,并且有一些缺点。目前,研究团队还没有完全搞清其生物相容性,未来还需要提高纳米颗粒的亮度以供人类使用。”

现阶段,研究团队正在使用由两种有机染料组成的 UCNPs 来代替稀土元素进行实验。他们证明了,和之前的无机 UCNPs 相比,已经有能力制造出亮度更高的有机 UCNPs。

这些有机纳米粒子可以发出绿色或者蓝色的光;同时,除了拥有更好的性能之外,有机纳米粒子还会面临更少的监管限制。



图 | 瓶子里的有机纳米粒子可以将肉眼看不到的近红外光转化为强烈的蓝光(来源:韩纲)

该研究的下一阶段可能会将现有技术应用到狗的身上进行测试,韩纲说:“如果我们拥有一条能够看到近红外光线的‘超级狗’,执法者就能从远处将特殊光线的图案隐蔽地投射到违法者身上,从而让‘超级狗’在不惊动他人的情况下抓到目标。”

除了可能让人类获得超级英雄般的超能力,这项技术未来还可能应用在医疗领域,比如治疗眼部疾病。“我们实际上是在研究,如何利用近红外光让感光细胞上的 UCNPs 释放药物。”韩纲如是说。
-End-
参考:Cell Press. "Nanotechnology makes it possible for mice to see in infrared." ScienceDaily. ScienceDaily, 28 February 2019.
https://www.eurekalert.org/emb_releases/2019-08/acs-ncs071819.php
http://dy.163.com/v2/article/detail/E968PBOA05119KL5.html               

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 楼主| 发表于 2019-9-7 05:27:17 | 显示全部楼层
摘要:尽管研究团队观测到,UCNPs 在老鼠眼睛里存在了超过 10 周的时间里,并没有引起任何明显的副作用。但是,韩纲认为在考虑是否要在人类身上做实验之前,还是需要进一步提高这种特殊纳米材料的安全性和敏感性。

韩纲在会议上说:“早些时间发表的论文中的 UCNPs 是无机的,并且有一些缺点。目前,研究团队还没有完全搞清其生物相容性,未来还需要提高纳米颗粒的亮度以供人类使用。”
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 楼主| 发表于 2019-9-7 05:27:50 | 显示全部楼层
人类增强实干派,虽然之前已经报道过很久,这次披露的细节更多
距离应用在人体应该是并不遥远的一件事
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