通过注射像花粉颗粒一样细小的纳米级设备，两位生物技术研究人员赋予了小鼠检测近红外光的能力——长期以来，人们认为只有少数动物，包括某些蛇、昆虫和蝙蝠，以及使用特殊设备的人类才有可能做到这一点。其中一位科学家，马萨诸塞大学医学院的生物化学家 Gang Han 将这些实验性啮齿动物称为“超级小鼠”。该团队于周四在《细胞》杂志上报告了他们的研究结果。
小鼠和人类的天然眼球只能检测到波长在 400 到 700 纳米之间的光子，这只是电磁波谱中的一小部分。较短或较长的波长，例如紫外线和红外线范围内的波长，对于这两个物种来说通常是不可见的。角膜和晶状体滤除了大部分紫外线，而红外光太弱，无法激活我们眼睛中的光感受器。“这是我们可见光谱的物理限制，”中国科学技术大学生命科学教授薛天说。“但 Gang 告诉我，他们[正在研究]这种不寻常的材料。”
他指的是所谓的“光子上转换纳米材料”，因其能够将低能量、不可见的光子（包括红外光）转换为更高能量、可见的光子而得名。宾夕法尼亚大学的材料科学家 Chris Murray（未参与这项工作）表示，这种功能的关键在于纳米材料的组成。“它们由一组称为稀土金属的元素制成，”他说。“它们最引人入胜的特性之一是它们具有非常长的激发态。”
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当一个典型的原子吸收能量（例如，来自碰撞光子的能量）时，一些围绕原子核旋转的电子会以一种不同的、更充满活力的模式跳舞——但仅持续很短的时间。然后，电子会迅速回到它们之前的位置，原子会以另一个光子的形式喷射出储存的能量。对于大多数元素，这个瞬间是以十亿分之一秒来衡量的。
但是对于稀土金属，这种激发态可以持续百万分之一秒甚至千分之一秒。Murray 说，这足以让另一个光子撞击原子并积累更多的能量。“这就像有人爬上湿滑梯子的梯级，”他补充道。稀土金属“有更多的‘牵引力’，因此你可以停留在第二个梯级上足够长的时间，以便下一波能量将你带到下一个梯级。” 这使得稀土金属能够吸收多个低能量光子（包括红外线范围内的光子），并将这些能量以单个、更高能量的可见光子形式释放出来。
当 Han 告诉薛天关于利用稀土金属这一特性的材料时，两人提出了薛天称之为“一个疯狂的想法——就像科幻小说一样”。如果这些金属可以作为纳米材料整合到动物的眼球中，也许科学家可以将不可见的红外光转换为可见光——这将直接将红外视觉信息传递到视网膜，并有效地创造出赛博格眼睛。“我们怀疑它是否会奏效，”薛天说。“但尝试一下是好事。”
Han 和薛天使用两种稀土金属（钇和镱）以及一种名为 ConA 的蛋白质构建了他们的纳米粒子。“镱吸收[红外]光，然后将能量传递给附近的铒原子，后者将其作为绿光发射出来，” Han 说。具体来说，这种纳米材料吸收 980 纳米的近红外光（这相对接近可见光谱的红色边缘）。ConA 蛋白附着在颗粒上，并帮助引导纳米粒子到达眼睛中的光敏细胞或光感受器。当纳米粒子进入眼睛时，该蛋白会导致纳米粒子像藤壶一样结壳在光感受器的表面上。
从理论上讲，Han 说，这应该允许眼睛将红外光解释为绿光，因为纳米材料会发射出绿光光子，该光子（大约一半的时间）与眼睛的天然光感受器相互作用。为了测试它是否真的能让小鼠在近红外光下看到东西，Han 和薛天进行了他们能想到的所有测试。他们证实，当与红外光相互作用时，经过修改的光感受器会向大脑发送电信号。他们将红外光照射到小鼠经过修改的眼睛中，看看它们的瞳孔是否会收缩——结果它们收缩了。未修改的小鼠对这些测试没有类似的反应。“这很聪明，”西北大学的生物医学工程师 John Rogers（未参与这项研究）说。“最令人信服的是一系列行为测试。”
在其中一项测试中，Han 和薛天将他们经过修改的小鼠逐一放入一个水池中，除非它们找到一个隐藏的平台，否则它们肯定会淹死。这些小鼠已经接受过训练，能够识别放置在这个平台上的 LED 标志，该标志显示图案或形状。“小鼠想安全地待在平台上，”薛天说，因此它们会直接游向标志。因此，薛天将可见 LED 换成了不可见的近红外 LED。没有注射纳米粒子的小鼠在池中漫无目的地游荡。但经过修改的小鼠立即找到了平台。薛天说，这让他感到不寒而栗。“我们甚至看不到[LED 标志]，但小鼠每次都游向正确的屏幕。这太令人毛骨悚然了，”薛天说。
这意味着小鼠可以使用它们的近红外视觉来辨别周围世界中的形状和图案，并且可以有效地利用这种增强的能力。环境红外光始终存在于地球表面，但对于夜晚可见光短缺时的人类来说可能最有用。“这就是人类发明夜视镜的原因，” Han 说。这些设备将环境红外光转换为显示器上的可见光，使人们能够在黑暗中看到东西。Han 希望该团队的新技术有一天能够实现类似的目的。“这是在眼睛里，所以没人知道你拥有它，”他说。“你可以成为超人。”
不过，Murray 指出，这个梦想离现实还很遥远。“你可能能够赋予有机体增强能力的这种‘科幻小说’元素是一个引人入胜的想法，”他说。但是，他补充说，“这有点牵强。这些材料的效率还不够高。”首先，夜晚没有足够的环境红外光让这些纳米粒子产生真正连贯的图像。此外，薛天和韩的纳米粒子需要经过美国食品和药物管理局漫长的批准程序才能在人类中进行任何商业用途。这包括对非人类灵长类动物进行测试以及一系列安全试验，所有这些都可能需要数年时间。
但是 Murray 可以看到其他潜在的应用。“红外光可以更深入地穿透人体，以完成您想让它做的事情，”他说。因此，他推测这些纳米粒子可以用来帮助激活某些可见光难以到达的地方的光敏药物或治疗方法。或者，它们可以用来研究可见光如何与我们的内部器官相互作用。“在体内照射光会对我们不完全理解的地方产生影响，因为那里没有正常的光感受器，”Murray 说。“通过红外线进行的这种深穿透激发现在是这些材料的一个热门领域。”