自然界存在眾多光線，能被人眼感受到的可見光只佔很小一部分，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，中國科學技術大學生命科學與醫學部薛天研究組與美國馬薩諸塞州州立大學醫學院韓綱研究組合作，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表在國際權威期刊《細胞》上。

努力探索獲得夜視能力的方法

人類為何看不到紅外光？主要是由於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激發感光蛋白活性，從而影響探測信噪比。

“換句話說，自然界中電磁波波譜範圍很廣，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佔電磁波譜裡很小的一部分，這是由視網膜感光細胞中的感光蛋白所固有的理化特性所決定的。”項目負責人薛天告訴科技日報記者。

不僅人類，在生物的進化歷程中，尚未發現任何動物能夠基於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於自然界中，對其探測感知將幫助我們獲取超過可見光譜範圍的信息。

為了獲取超過可見光譜範圍的信息，人類發明了以光電轉換和光電倍增技術為基礎的紅外夜視儀。但它有諸多缺陷，如笨重、佩戴後行動不便、需要靠有限的電池供電、可能被強光過曝、同可見光環境不兼容等。

為解決上述問題並發展裸眼無源紅外視覺拓展技術，從事視覺研究多年的薛天注意到韓綱研究組的一種轉換納米材料，這種材料就能夠把近紅外光轉換成可見光線——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表面。

“修飾後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、中國科學技術大學博士馬玉乾告訴記者，“我們將這種內置的’納米天線’命名為pbUCNPs，即視網膜感光細胞特異結合的上轉換納米顆粒。”

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，並知曉它們的近紅外視覺有多強呢？

研究人員進行了多種視覺神經生理實驗。瞳孔光反射實驗中，在近紅外光照射下，已註射小鼠的瞳孔產生收縮，而未註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。觀察發現，已註射小鼠在黑暗隔間停留的時間更長，而未註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胞被近紅外光激活，產生的信號通過視神經傳遞到小鼠大腦視覺皮質，小鼠具有感知紅外線的能力。

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，還可以分辨複雜的紅外圖像。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。

“也就是說，動物可以同時看到可見光與紅外光圖像，並且可見光視覺不受到影響”薛天說，“這是令人興奮的發現。”

我們的“視界”或因此而拓展

“這項研究突破了傳統近紅外儀的局限，並發展出裸眼無源紅外視覺拓展技術，證明了人類擁有超級視覺能力的可能。”薛天告訴記者，像人類這樣的哺乳動物在視覺上只能處理可見光譜中的光線，這項技術未來或將使人類擁有“夜間視物”的超視能力。

科研人員的研究還發現，pbUCNPs納米材料具有良好的生物相容性。分子、細胞、組織器官以及動物行為的檢驗證明，該材料可以長期存在於動物視網膜，而對視網膜及動物視覺能力都沒有發現明顯負面影響。

據此，科研人員有信心地認為，這項技術有效拓展了動物的視覺波譜範圍，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。

“這項技術未來或許能彌補’視覺缺陷’。”薛天表示，通過開發具有不同吸收和發射光譜參數的納米材料，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。