自然界存在眾多光線，能被人眼感受到的可見光只占很小一部分，比如人類就看不到紅外光 。 但最近的一項研究或許能讓人類具有紅外光感知能力 。
前不久，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天研究組與美國馬薩諸塞州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱研究組合作，結(jié)合視覺神經(jīng)生物醫(yī)學(xué)與創(chuàng)新納米技術(shù)，首次實現(xiàn)了動物裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺 。 該研究成果已在線發(fā)表在國際權(quán)威期刊《細(xì)胞》上 。
努力探索獲得夜視能力的方法
人類為何看不到紅外光？主要是由于紅外光光子能量較低 。 為了感知紅外光，眼睛的感光蛋白必須降低其吸收能量閾值，然而過低的能量閾值會使熱能更容易自發(fā)激發(fā)感光蛋白活性，從而影響探測信噪比 。
“換句話說，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，這是由視網(wǎng)膜感光細(xì)胞中的感光蛋白所固有的理化特性所決定的 。 ”項目負(fù)責(zé)人薛天告訴科技日報采訪人員 。
不僅人類，在生物的進(jìn)化歷程中，尚未發(fā)現(xiàn)任何動物能夠基于感光蛋白感知波長超過700納米的紅外光，更沒有動物能夠在大腦中形成紅外光圖像視覺 。 不過已有研究證實，個別動物，如部分蛇類，可以通過溫度感知紅外光 。
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 。
為了獲取超過可見光譜范圍的信息，人類發(fā)明了以光電轉(zhuǎn)換和光電倍增技術(shù)為基礎(chǔ)的紅外夜視儀 。 但它有諸多缺陷，如笨重、佩戴后行動不便、需要靠有限的電池供電、可能被強光過曝、同可見光環(huán)境不兼容等 。
為解決上述問題并發(fā)展裸眼無源紅外視覺拓展技術(shù)，從事視覺研究多年的薛天注意到韓綱研究組的一種轉(zhuǎn)換納米材料，這種材料就能夠把近紅外光轉(zhuǎn)換成可見光線——綠光 。
紅外感知能力得到實驗驗證
“如果能將這種材料植入動物眼睛，那將非常有意義 。 ”薛天說，科研人員研究出一種特異表面修飾方法，使該納米材料可以與感光細(xì)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(xì)胞表面 。
“修飾后的納米顆粒就成為一種隱蔽的、無須外界供能的‘納米天線’ 。 ”論文第一作者、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士馬玉乾告訴采訪人員，“我們將這種內(nèi)置的‘納米天線’命名為pbUCNPs，即視網(wǎng)膜感光細(xì)胞特異結(jié)合的上轉(zhuǎn)換納米顆粒 。 ”
為了能夠讓小鼠看見近紅外光，科研人員將含有納米顆粒的液體注射到小鼠眼睛中 。 但是，如何才能證明小鼠可以看見近紅外光，并知曉它們的近紅外視覺有多強呢？
研究人員進(jìn)行了多種視覺神經(jīng)生理實驗 。 瞳孔光反射實驗中，在近紅外光照射下，已注射小鼠的瞳孔產(chǎn)生收縮，而未注射小鼠的瞳孔沒有任何變化 。
針對小鼠是夜行動物，喜歡黑暗的特性，研究人員設(shè)計了一個帶隔間的箱子，一個隔間全黑，一個用近紅外光照亮 。 觀察發(fā)現(xiàn)，已注射小鼠在黑暗隔間停留的時間更長，而未注射小鼠在兩個隔間的停留時間基本相同 。 研究人員表示，這兩個實驗證明小鼠的光感受器細(xì)胞被近紅外光激活，產(chǎn)生的信號通過視神經(jīng)傳遞到小鼠大腦視覺皮質(zhì)，小鼠具有感知紅外線的能力 。
研究人員通過多種神經(jīng)視覺生理實驗，從單細(xì)胞電生理記錄，在體視網(wǎng)膜電圖（ERG）和視覺誘發(fā)電位（VEP），到多層面的視覺行為學(xué)實驗，證明了從外周感光細(xì)胞到大腦視覺中樞，視網(wǎng)膜下腔注射pbUCNPs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(fù)雜的紅外圖像 。 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 。
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