編譯 邢鴻飛

實驗過程圖示：當(dāng)紅外光到達(dá)感光細(xì)胞時，納米顆粒將光轉(zhuǎn)化為可見的綠光

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——這是嚙齒動物（或人類）通常看不見的波長。此項成果意義非凡，如果類似的技術(shù)也可以用于人類，那么未來的成果將更加非凡。

多年來，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》上的這項最新研究結(jié)果最具有科幻性。

由中國科學(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。研究者們在小鼠的眼睛中注入了特殊的納米顆粒，效果持續(xù)大約十周，并沒有出現(xiàn)任何嚴(yán)重的副作用。

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

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

世界上的物體，無論是人，還是一碗滾燙的湯，或者是看起來像冰塊一樣冷的東西，在釋放熱量的同時會發(fā)出紅外輻射。像人類和小鼠這樣的哺乳動物看不見近紅外線，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)就是做了類似的工作，但科學(xué)家們并沒有依賴可穿戴技術(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范圍的東西，薛天和韓綱開發(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——通常吸收可見光的波長，大腦將其解釋為視覺。然而，在實驗中，新注入的納米粒子將進(jìn)入的近紅外向上轉(zhuǎn)換為可見波長，小鼠的大腦隨即能夠?qū)⑵渥鳛橐曈X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月，使得小鼠在幾乎沒有副作用的情況下同時看到近紅外和可見光。

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。較長的紅外波長被納米粒子捕獲到視網(wǎng)膜中，然后在可見光范圍內(nèi)以較短的波長進(jìn)行傳輸。視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞用來吸收較短的波長，因此它們能夠接受這種信號，然后將這種上轉(zhuǎn)換的信息發(fā)送到視覺皮層進(jìn)行處理。具體地說，注入小鼠的粒子吸收了波長約為980納米的近紅外線，并將其轉(zhuǎn)換為波長為535納米的光。對小鼠來說，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似，只是小鼠也還能保持正常的可見光能力。如上所述，這種效果是暫時的，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有效，薛天和韓綱進(jìn)行了一系列的測試和實驗。

例如，被注射納米顆粒的小鼠的瞳孔在近紅外輻射下會變大，而沒有接受注射的小鼠則不會。當(dāng)完全暴露在近紅外輻射下時，受試小鼠的大腦電活動測量結(jié)果顯示，它們的眼睛和視覺皮層的功能與它們在可見光下一樣。

行為測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識別一個隱藏的平臺的位置來尋求庇護(hù)，該平臺由一個霓虹燈顯示。在實驗中，注射顆粒的小鼠始終處于平臺的位置，而沒有接受注射的小鼠則在迷宮中隨機(jī)游動。另一項測試中有一個含兩個隔間的盒子：一個完全黑暗，不透任何光線，另一個用近紅外照射。小鼠是夜行動物，喜歡在黑暗里行動。實驗中，接受注射的小鼠在黑暗隔間里待的時間更長，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)眼科和視覺科學(xué)教授弗拉基米爾·凱法洛夫（Vladimir J.Kefalov）沒有參與此項新研究。他對Gizmodo說：“毫無疑問，這些大量的實驗表明，注射了紅外線感光納米顆粒的小鼠獲得了探測紅外光并從中獲得視覺信息的能力?！?/p>

在一份新聞稿中，薛天說道，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“我們相信這項技術(shù)未來也可以適用于人類的眼睛，不僅能產(chǎn)生超視覺，還能治療人類的紅色視覺缺陷?！?/p>

在接受《細(xì)胞》雜志采訪時，他進(jìn)一步說明：與小鼠不同，人類和其他靈長類動物的視網(wǎng)膜中有一個叫作中央凹的結(jié)構(gòu)，主要用于調(diào)節(jié)高度敏銳的中央視覺。在人類的中央凹中，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特定類型的視錐細(xì)胞。

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

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小鼠視網(wǎng)膜沒有長期的不良影響，”凱法洛夫說,“然而，在人類身上實現(xiàn)紅外線視覺是否需要重復(fù)注射，這一點尚不清楚。如果需要，這種慢性治療是否會對我們眼睛的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生長期的不利影響?！?/p>

獲得看到紅外光的能力似乎就像是科幻小說和超越人類幻想的東西，但這無疑是一個有用的特征。我們將能夠看到人類正常視覺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：人類一直在努力研發(fā)新技術(shù)，從而擁有超越自然能力的能力。人類自然視覺所能感知到的可見光只占電磁波波譜的很小一部分。比可見光長或短的電磁波攜帶更多的信息……根據(jù)材料的不同，一個物體也可以有獨特的近紅外輻射吸收和反射。我們無法用肉眼探測到這些信息。

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。軍方很可能會對這項工作非常感興趣。

悉尼科技大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院的金大勇稱這項新工作“非常具有創(chuàng)新性和啟發(fā)性”。金大勇本人沒有參與這項研究，就他所知，“這項工作是第一次展示可植入和‘可穿戴’的光學(xué)納米設(shè)備?！彼f，重要的是在小鼠身上沒有觀察到炎癥或細(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隧椦芯抠澆唤^口，他說：“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小鼠視覺功能影響的特征?！彼盅a(bǔ)充說，這個“開創(chuàng)性的工作展示了一個巧妙又強(qiáng)大的方法，提高視覺系統(tǒng)檢測超出自然可見范圍的光的能力。”他認(rèn)為，納米粒子在可見光下似乎沒有干擾光感受器的正常功能，這“令人驚訝”。

但至于這項技術(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：“由于這種方法依賴于光受體的天生能力去檢測和放大光信號，使用這種方法來克服受損的光受體功能，將需要開發(fā)更多的步驟，使其能夠檢測可見光范圍之外的光。”

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

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