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中國科大在實現哺乳動物裸眼紅外圖像視覺上取得進展

時間:2019-03-01 08:04:51 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心薛天教授研究組與美國馬薩諸塞州州立大學醫學院(University of Massachusetts Medical School)韓綱教授研究組合作,結合視覺神經生物醫學與創新納米技術,首次實現動物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺能力。該研究成果于2019年2月28日(美東時間)在線發表于國際頂級期刊《Cell》上,并被《Cell》雜志選為本期唯一科普視頻進行重點推廣(文末可點擊視頻觀看)。


  自然界中電磁波波譜范圍很廣,以波長劃分由短至長包括γ射線、X射線、UV光、可見光、紅外線、微波、無線電波等。能被我們眼睛感受的可見光只占電磁波譜里很小的一部分(圖1),這是由眼睛視網膜里感光細胞中的感光蛋白所固有的物理化學特性所決定的。對于>700nm的紅外光,由于其光子能量較低,感光蛋白(opsin)必須降低其吸收能量閾值才能夠吸收感知紅外光子,然而過低的能量閾值會使熱能更容易自發激發感光蛋白,從而影響探測信噪比。因此,在生物進化歷程中沒有出現任何基于感光蛋白的能夠感知超過700nm的紅外光的動物感光細胞,更無法在大腦中形成紅外光圖像視覺。(個別動物如部分蛇類的紅外線感知能力是通過溫度感知實現的)


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圖1. 電磁波和可見光波譜


  然而紅外線廣泛地存在于自然界中,對其探測感知將幫助我們獲取超過可見光譜范圍的信息。為此人們發明了以光電轉換和光電倍增技術為基礎的紅外夜視儀,但是這樣的紅外夜視儀有一系列缺陷,比如通常比較笨重佩戴后行動不方便、需要靠有限的電池供電、可能被強光過曝、同可見光環境不兼容等。


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圖2. 創新的上轉換納米顆粒修飾技術及其在視網膜的功能實現


  為解決上述問題并發展裸眼無源紅外視覺拓展技術,中國科大薛天教授研究組同美國馬薩諸塞州州立大學醫學院韓綱教授研究組合作,嘗試利用一種可吸收紅外光發出可見光的上轉換納米材料,導入動物視網膜中以實現紅外視覺感知。體外感光細胞單細胞光電生理記錄證實這種納米材料確實可以吸收紅外光后激發小鼠視桿細胞電活動。為了縮短納米顆粒與感光細胞的距離,從而提高紅外敏感度,并使納米顆粒能夠長時間留存在視網膜感光細胞層,研究人員發展了一種特異表面修飾方法,使其可以與感光細胞膜表面特異糖基分子緊密連接,從而牢牢地貼附在感光細胞感光外段的表面(圖2)。這樣修飾后的納米顆粒成為一種隱蔽的、無需外界供能的“納米天線”,研究人員給這種內置的“納米天線”命名為pbUCNPs (photoreceptor-binding Upconversion Nanoparticles), 即視網膜感光細胞特異結合的上轉換納米顆粒。


  研究人員通過多種神經視覺生理實驗,從單細胞電生理記錄,在體視網膜電圖(ERG)和視覺誘發電位(VEP),到多層面的視覺行為學實驗,證明了從外周感光細胞到大腦視覺中樞,視網膜下腔注射pbUCNP納米顆粒的小鼠不僅獲得感知紅外線的能力,還可以分辨復雜的紅外圖像(圖3)。值得指出的是,在獲得紅外視覺的同時,小鼠的可見光視覺沒有受到影響。而且令人興奮的是,動物可以同時看到可見光與紅外光圖像。同時研究人員發現pbUCNPs納米材料具有良好的生物相容性,從分子、細胞到組織器官以及動物行為的檢驗證明,pbUCNPs納米材料可長期存在于動物視網膜中發揮作用,而對視網膜及動物視覺能力均沒有明顯負面影響。這些結果清晰地表明,此項技術有效地拓展了動物的視覺波譜范圍,首次實現裸眼無源的紅外圖像視覺感知,突破了自然界賦予動物的視覺感知物理極限。


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圖3. 從不同水平證明注射小鼠獲得紅外圖像視覺


  這項技術不僅能賦予我們超級視覺能力,通過開發具有不同吸收和發射光譜參數的納米材料,還有可能輔助修復視覺感知波譜缺陷相關疾病,例如紅色色盲。這種新型的可與感光細胞緊密結合的納米修飾技術還可以被賦予更多的創新性功能,如眼底藥物的局部緩釋、光控藥物釋放等。更多的生物醫學創新將在理工醫交叉融合的推動下結出碩果。


  中國科大博士生馬玉乾、特聘教授鮑進以及美國韓綱研究組張原瑋博士為該論文的共同第一作者。中國科大薛天教授為首要通訊作者(Lead Contact),鮑進教授、韓綱教授為論文的共同通訊作者。中國科學技術大學為本項工作的第一作者和最后通訊作者單位。該研究得到基金委醫學部眼科相關“神經性視覺損傷與修復的機制研究”重大項目、優秀青年基金、科技部國家重點基礎研究發展計劃、中科院戰略性先導科技專項(B)類資助。該課題也是國際科研資助機構“人類前沿科學計劃 (Human Frontier Science Program)”的青年科學家資助項目。該工作還得到中國科學技術大學工程科學學院王秋平課題組、姜洪源課題組以及化學和材料科學學院吳宇恩課題組的儀器與技術支持。



  論文鏈接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1


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