超级视觉 是怎样“炼”成的

科研人员给小鼠眼睛注射上转换纳米颗粒。本报记者 徐旻昊 摄

科研人员对眼睛注射了上转换纳米颗粒的小鼠进行眼端视网膜电图检测。本报记者 徐旻昊 摄

自然界的神奇，有时候超越想象。猫头鹰或某些蛇类拥有某种“超能力”，在夜间可以清晰“视物”，作为万物灵长的人类却不能。但如果人类肉眼可以看见近红外光，就会拥有裸眼超级夜视能力，在漆黑的夜晚也能发现自然界的美丽。最近，中国科学技术大学薛天教授研究组与美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲教授研究组合作，在国际顶级学术期刊《细胞》上刊发论文，宣布首次实现哺乳动物裸眼红外光感知和红外图像视觉能力，这意味着人类未来或将拥有裸眼超级夜视能力。

突破哺乳动物视觉极限

“这项技术有效地拓展了哺乳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，突破了自然界赋予哺乳动物的视觉感知物理极限。”薛天教授表示。2月28日（美东时间），国际顶级学术期刊《细胞》在线发表了中美科学家的这一合作成果，并重点推介了该成果，国际顶级学术期刊《自然》等对该成果也作了详细介绍。“这项研究的突破之处在于，它证明小鼠可以接收到真实的图像信息。”美国杜克大学神经科学家埃里克·汤姆森说。

自然界中，人类肉眼可感知的可见光，仅占电磁波普中很小的一部分，波长在400纳米至700纳米之间，包括组成彩虹中各种颜色的光。该论文共同第一作者、中国科学技术大学鲍进教授介绍，紫外线、红外线像可见光一样广泛存在于自然界中，但哺乳动物由于缺乏特殊的感光蛋白，无法看到波长大于700纳米的红外线，也无法看到波长更短的紫外线，而比可见光波长更长或更短的电磁波，实际上携带着大量的环境信息。

“其实，一些蛇对近红外光的感知，并不是对光线的感知，而是对热的一种感知。”该论文第一作者、中国科学技术大学马玉乾博士透露，目前，以光电转换和光电倍增技术为基础的红外夜视仪有一系列缺陷，比如笨重、需靠有限的电池供电、可能被强光过曝、同可见光环境不兼容等。“夜视仪需要补光，它是利用光电倍增的放大效应。如果环境里这种光很弱的话，再怎么放大也看不清。”马玉乾说。

“这个成果是在交流中迸发出来的火花。”鲍进坦言，薛天教授研究组与韩纲教授研究组在视觉神经和纳米材料领域各有所长，他们合作把一种特殊的纳米颗粒注射到小鼠眼中，让小鼠看到了近红外光，并能分辨复杂的红外图像。这些纳米颗粒是“上转换”纳米颗粒，可以把近红外光转换为绿光。实验表明，纳米颗粒可以在小鼠眼中停留两个月以上，不产生任何明显的副作用。值得一提的是，这些颗粒并不会影响已注射小鼠的正常可见光视觉，小鼠可以同时看见近红外光和可见光。

超级视觉是这么炼成的

“近红外光能量太弱，无法激发眼内的感受器产生信号。我们的工作就是通过注射人造的纳米颗粒，让其吸收低能量的近红外线，让多个近红外光子合在一块，转化为一个高能量光子，最后产生可见光。”马玉乾透露，他们在实验中所采用的“上转换”纳米颗粒，由铒、镱两种稀土金属元素和表面修饰的ConA蛋白（刀豆蛋白A）组成，具有将低能量光转换为高能量光的特性，这种纳米颗粒可以将低能量的不可见光（包括远红外光）激发成高能量的可见光。

在这项研究中，科学家们制造出的纳米颗粒像是微小的红外光传感器，可以紧密地附着于光感受器细胞上。当红外光照射到视网膜时，这些纳米颗粒能够捕获波长较长、能量较低的近红外光，并发射出在可见光范围内的波长较短、能量较高的光。附近的视杆细胞或视锥细胞吸收这些较短波长的光，并向大脑发送光诱发的神经电信号，就如同可见光直接照射到视网膜时一样。

鲍进介绍，他们发展了一种特异表面修饰方法，使纳米颗粒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。多种神经视觉生理实验证明，视网膜下腔注射纳米颗粒的小鼠，不仅可以获得感知红外线的能力，还可以分辨复杂的红外图像。这些纳米材料因为具有良好的生物相容性，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。

小鼠不会说话，咋知道它能看到近红外光？鲍进告诉记者，在一个叫“瞳孔光反射”的实验中，他们用近红外光照射已注射和未注射小鼠的眼睛，已注射小鼠的瞳孔产生收缩，而未注射小鼠的瞳孔没有任何变化。小鼠天生喜欢黑暗的地方，在一个叫“明暗箱”的实验中，他们将一个黑暗的箱子分成两部分，其中一侧安放了近红外光，结果已注射小鼠很少在有近红外光的一侧逗留，而未注射小鼠在两侧逗留的时间几乎一致。这两个实验证明，已注射小鼠确实“感受”到了近红外光。

经过“改造”的超级小鼠，能否分辨近红外光图像？薛天教授研究组使用了“水迷宫”实验，水迷宫一端被分隔成两个通道，一个救命平台隐藏在其中一个通道末端，小鼠不愿意待在水中，而救命平台可以帮助小鼠从水中逃出来。他们用不同的近红外光图像来训练小鼠，随机把竖直和水平光栅图像照射到通道两端，而隐藏平台仅在竖直光栅图像末端。几次尝试后，已注射小鼠很快发现竖直光栅与隐藏平台之间的关系，之后每次小鼠被放入水中，它们会迅速向竖直光栅图像游去。对于未注射小鼠，因为它们看不到近红外光图像，只是随机在迷宫中游来游去，希望运气可以帮助它们逃出去。当他们把竖直-水平光栅图像，换成如三角-圆圈等其他图像，结果一样。这个实验充分证明，已注射小鼠的确可以识别近红外光图像。

人类或将拥有超级夜眼

“这一突破性成果，未来有可能应用于人类，让人类突破视觉极限。”鲍进表示，这项技术未来不仅能赋予人类超级视觉能力，在民用加密、抢险搜救、安全以及军事领域有着广泛的应用前景，而且通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料，还有可能辅助修复红色色盲等视觉感知波谱缺陷相关疾病。她透露，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，多种应用拓展已在相关实验室展开。

“‘上转换’纳米颗粒的转化效率，还需要进一步提升。”鲍进介绍，他们已准备在一些大动物上做实验，但目前还没有在人眼上做实验，人类是否有必要拥有超级裸眼夜视能力是一个存在争议的话题，对于大多数普通人来说，可能没有必要在黑暗视物。薛天介绍，其团队采用的纳米粒子含有重金属，监管机构不太可能批准将其用于人体，因此他们团队正在开发一种有机版本。“如果设计成可生物降解的材料，就能够被视网膜后的色素上皮细胞吞噬并被代谢掉。”薛天说。

“由于材料还不够高效，人类想要拥有超级夜视能力，还需要走很长的路。”美国宾夕法尼亚大学材料学家克里斯·默里说，以目前夜间物体周围的近红外光的强度来说，还并不足以激发这些纳米颗粒产生连续清晰的图像。此外，这些纳米颗粒如果想要商业化，还需要通过漫长的美国食药监局批准流程。而这个流程必须经过非人灵长动物的实验，以及一系列安全实验才符合标准，不是一两年能完成的。不过，多名业界科学家坦言，这是一个重大的技术突破，未来的应用范围可能更广泛。

随着科技的日新月异，集中智慧攻坚克难，成为一种发展趋势。“我们的这一成果，也体现了集体的智慧。”马玉乾坦言，每个实验室或团队可能都有自己的优势，但单打独斗很难有突破性发现，需要交叉学科的糅合和相关团队的优势互补。“做研究重要的是感兴趣，并且持之以恒。胆子大、有想法，敢于尝试，是科学家很重要的品质。”鲍进表示，科学研究独乐乐不如众乐乐，在实验室里发现一个新现象，最开心的那一刻，就是把这个新现象告诉别人，与他人一起分享。

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