小鼠接受紅外視覺(jué)實(shí)驗(yàn)

編譯 邢鴻飛

實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖示：當(dāng)紅外光到達(dá)感光細(xì)胞時(shí)，納米顆粒將光轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的綠光

科學(xué)家們將納米顆粒注射到小鼠的眼睛里，讓小鼠能夠看到近紅外光——這是嚙齒動(dòng)物（或人類(lèi)）通?？床灰?jiàn)的波長(zhǎng)。此項(xiàng)成果意義非凡，如果類(lèi)似的技術(shù)也可以用于人類(lèi)，那么未來(lái)的成果將更加非凡。

多年來(lái)，科學(xué)家在小鼠身上完成的所有卓有成效的研究中，最近發(fā)表在科學(xué)雜志《細(xì)胞》上的這項(xiàng)最新研究結(jié)果最具有科幻性。

由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的薛天和馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱共同領(lǐng)導(dǎo)的研究組，修改了小鼠的視覺(jué)范圍,這樣它們既能夠看到近紅外光，又可以看到正常的光線。研究者們?cè)谛∈蟮难劬χ凶⑷肓颂厥獾募{米顆粒，效果持續(xù)大約十周，并沒(méi)有出現(xiàn)任何嚴(yán)重的副作用。

一系列實(shí)驗(yàn)表明，小鼠確實(shí)看到了紅外線，而不是其他刺激物。研究人員說(shuō)，人類(lèi)的眼睛和小鼠的眼睛并沒(méi)有太大的差異，將類(lèi)似的技術(shù)應(yīng)用到人類(lèi)身上的前景非常美好。

與小鼠一樣，人類(lèi)視覺(jué)接觸到的電磁波波譜也有限。人類(lèi)看不見(jiàn)的波長(zhǎng)范圍非常廣，因此看不到所謂的可見(jiàn)光譜（波長(zhǎng)在380～740納米之間）以外的任何東西。紅外輻射在光譜中以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)存在，范圍從大約800納米～1毫米不等。

世界上的物體，無(wú)論是人，還是一碗滾燙的湯，或者是看起來(lái)像冰塊一樣冷的東西，在釋放熱量的同時(shí)會(huì)發(fā)出紅外輻射。像人類(lèi)和小鼠這樣的哺乳動(dòng)物看不見(jiàn)近紅外線，但我們有夜視儀或熱視鏡技術(shù)，可以把原本看不見(jiàn)的光譜轉(zhuǎn)換成我們能看到的形式。用在小鼠身上的新技術(shù)就是做了類(lèi)似的工作，但科學(xué)家們并沒(méi)有依賴(lài)可穿戴技術(shù)，而是直接進(jìn)入這一技術(shù)的生物學(xué)領(lǐng)域。

為了讓小鼠看到超出正常視覺(jué)范圍的東西，薛天和韓綱開(kāi)發(fā)了一種特殊的“上轉(zhuǎn)換”納米顆粒，能夠在小鼠的眼部結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用。含有這種微小顆粒的液滴被直接注射到小鼠的眼睛里，在那里，他們依靠特殊的錨，緊緊地貼附在感光細(xì)胞上。感光細(xì)胞——視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞——通常吸收可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，大腦將其解釋為視覺(jué)。然而，在實(shí)驗(yàn)中，新注入的納米粒子將進(jìn)入的近紅外向上轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)波長(zhǎng)，小鼠的大腦隨即能夠?qū)⑵渥鳛橐曈X(jué)信息進(jìn)行處理(在這種情況下，它們看到的近紅外是綠光)。這些納米粒子附著了近兩個(gè)月，使得小鼠在幾乎沒(méi)有副作用的情況下同時(shí)看到近紅外和可見(jiàn)光。

從本質(zhì)上講，感光細(xì)胞上的納米顆粒充當(dāng)了紅外線的傳感器或轉(zhuǎn)換器。較長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)被納米粒子捕獲到視網(wǎng)膜中，然后在可見(jiàn)光范圍內(nèi)以較短的波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸。視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞用來(lái)吸收較短的波長(zhǎng)，因此它們能夠接受這種信號(hào)，然后將這種上轉(zhuǎn)換的信息發(fā)送到視覺(jué)皮層進(jìn)行處理。具體地說(shuō)，注入小鼠的粒子吸收了波長(zhǎng)約為980納米的近紅外線，并將其轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)為535納米的光。對(duì)小鼠來(lái)說(shuō)，這意味著它們看到的紅外光是綠色的。研究結(jié)果與使用夜視儀觀察近紅外線類(lèi)似，只是小鼠也還能保持正常的可見(jiàn)光能力。如上所述，這種效果是暫時(shí)的，持續(xù)了幾周，一些小鼠的眼角膜混濁，但很快就好了。

為了證明這種方法確實(shí)有效，薛天和韓綱進(jìn)行了一系列的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。

例如，被注射納米顆粒的小鼠的瞳孔在近紅外輻射下會(huì)變大，而沒(méi)有接受注射的小鼠則不會(huì)。當(dāng)完全暴露在近紅外輻射下時(shí)，受試小鼠的大腦電活動(dòng)測(cè)量結(jié)果顯示，它們的眼睛和視覺(jué)皮層的功能與它們?cè)诳梢?jiàn)光下一樣。

行為測(cè)試也顯示出該方法的有效性。放置在y形水迷宮中的小鼠被教會(huì)識(shí)別一個(gè)隱藏的平臺(tái)的位置來(lái)尋求庇護(hù)，該平臺(tái)由一個(gè)霓虹燈顯示。在實(shí)驗(yàn)中，注射顆粒的小鼠始終處于平臺(tái)的位置，而沒(méi)有接受注射的小鼠則在迷宮中隨機(jī)游動(dòng)。另一項(xiàng)測(cè)試中有一個(gè)含兩個(gè)隔間的盒子：一個(gè)完全黑暗，不透任何光線，另一個(gè)用近紅外照射。小鼠是夜行動(dòng)物，喜歡在黑暗里行動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，接受注射的小鼠在黑暗隔間里待的時(shí)間更長(zhǎng)，而未接受注射的小鼠則并未表現(xiàn)出任何偏好。

圣路易斯華盛頓大學(xué)眼科和視覺(jué)科學(xué)教授弗拉基米爾·凱法洛夫（Vladimir J.Kefalov）沒(méi)有參與此項(xiàng)新研究。他對(duì)Gizmodo說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)，這些大量的實(shí)驗(yàn)表明，注射了紅外線感光納米顆粒的小鼠獲得了探測(cè)紅外光并從中獲得視覺(jué)信息的能力?！?/p>

在一份新聞稿中，薛天說(shuō)道，納米粒子附著在視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞上，并被近紅外光激活，因此“我們相信這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)也可以適用于人類(lèi)的眼睛，不僅能產(chǎn)生超視覺(jué)，還能治療人類(lèi)的紅色視覺(jué)缺陷?！?/p>

在接受《細(xì)胞》雜志采訪時(shí)，他進(jìn)一步說(shuō)明：與小鼠不同，人類(lèi)和其他靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的視網(wǎng)膜中有一個(gè)叫作中央凹的結(jié)構(gòu)，主要用于調(diào)節(jié)高度敏銳的中央視覺(jué)。在人類(lèi)的中央凹中，錐狀細(xì)胞的密度遠(yuǎn)高于視桿細(xì)胞；而在小鼠的視網(wǎng)膜中，視桿細(xì)胞的數(shù)量占主導(dǎo)地位。由于錐狀細(xì)胞對(duì)光的光譜和強(qiáng)度敏感性與視桿細(xì)胞不同，我們可能需要微調(diào)上轉(zhuǎn)換納米顆粒的放射光譜，從而更有效地激活人類(lèi)特定類(lèi)型的視錐細(xì)胞。

正如薛天所說(shuō)，這種治療方法必須經(jīng)過(guò)修改才能使用于人類(lèi)的眼睛，但新的實(shí)驗(yàn)表明，這還是有可能的。凱法洛夫說(shuō)，在人類(lèi)身上應(yīng)用類(lèi)似概念的潛力真實(shí)而又令人興奮，但他也特別提醒，研究道路依舊漫長(zhǎng)。

特殊的納米顆粒附著在小鼠感光細(xì)胞的視桿細(xì)胞（左）和視錐細(xì)胞（右）上

“論文作者證明，單次注射納米顆粒對(duì)小鼠視網(wǎng)膜沒(méi)有長(zhǎng)期的不良影響，”凱法洛夫說(shuō),“然而，在人類(lèi)身上實(shí)現(xiàn)紅外線視覺(jué)是否需要重復(fù)注射，這一點(diǎn)尚不清楚。如果需要，這種慢性治療是否會(huì)對(duì)我們眼睛的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生長(zhǎng)期的不利影響?！?/p>

獲得看到紅外光的能力似乎就像是科幻小說(shuō)和超越人類(lèi)幻想的東西，但這無(wú)疑是一個(gè)有用的特征。我們將能夠看到人類(lèi)正常視覺(jué)范圍之外的各種東西，而且我們可以有效地具備內(nèi)置夜視功能。

正如薛天向《細(xì)胞》雜志所做的解釋?zhuān)喝祟?lèi)一直在努力研發(fā)新技術(shù)，從而擁有超越自然能力的能力。人類(lèi)自然視覺(jué)所能感知到的可見(jiàn)光只占電磁波波譜的很小一部分。比可見(jiàn)光長(zhǎng)或短的電磁波攜帶更多的信息……根據(jù)材料的不同，一個(gè)物體也可以有獨(dú)特的近紅外輻射吸收和反射。我們無(wú)法用肉眼探測(cè)到這些信息。

關(guān)于這種潛在的增強(qiáng)功能，另一件很酷的事情是，它不需要讓人戴上笨重的高能耗設(shè)備，比如前面提到的夜視儀。它也不需要任何基因操作。軍方很可能會(huì)對(duì)這項(xiàng)工作非常感興趣。

悉尼科技大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院的金大勇稱(chēng)這項(xiàng)新工作“非常具有創(chuàng)新性和啟發(fā)性”。金大勇本人沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，就他所知，“這項(xiàng)工作是第一次展示可植入和‘可穿戴’的光學(xué)納米設(shè)備。”他說(shuō)，重要的是在小鼠身上沒(méi)有觀察到炎癥或細(xì)胞死亡的情況，但也有可能是一些細(xì)胞吸收了納米顆粒，這一前景“值得再進(jìn)行更仔細(xì)的研究”。

同樣，凱法洛夫?qū)Υ隧?xiàng)研究贊不絕口，他說(shuō)：“作者們真是太棒了，他們找到了注射紅外線感光的納米顆粒對(duì)小鼠視覺(jué)功能影響的特征?！彼盅a(bǔ)充說(shuō)，這個(gè)“開(kāi)創(chuàng)性的工作展示了一個(gè)巧妙又強(qiáng)大的方法，提高視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)超出自然可見(jiàn)范圍的光的能力。”他認(rèn)為，納米粒子在可見(jiàn)光下似乎沒(méi)有干擾光感受器的正常功能，這“令人驚訝”。

但至于這項(xiàng)技術(shù)是否可以用于矯正受損視力，如色盲，目前還不太清楚。

凱法洛夫告訴Gizmodo：“由于這種方法依賴(lài)于光受體的天生能力去檢測(cè)和放大光信號(hào)，使用這種方法來(lái)克服受損的光受體功能，將需要開(kāi)發(fā)更多的步驟，使其能夠檢測(cè)可見(jiàn)光范圍之外的光?！?/p>

展望未來(lái)，薛天和韓綱希望通過(guò)使用美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)的化合物組成的有機(jī)納米顆粒來(lái)改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，從而使紅外視覺(jué)更加清晰。他們還想對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，使其更符合人類(lèi)生物學(xué)。薛天和韓綱對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景感到樂(lè)觀，他們已經(jīng)申請(qǐng)了一項(xiàng)與其研究工作相關(guān)的專(zhuān)利。

我已經(jīng)能想象出電視上的廣告詞：“問(wèn)問(wèn)你的醫(yī)生，近紅外視力是否適合你?！?/p>