透過注射像花粉顆粒一樣細小的奈米級裝置，兩位生物技術研究人員賦予了小鼠檢測近紅外光的能力——長期以來，人們認為只有少數動物，包括某些蛇、昆蟲和蝙蝠，以及使用特殊裝置的人類才有可能做到這一點。其中一位科學家，馬薩諸塞大學醫學院的生物化學家 Gang Han 將這些實驗性齧齒動物稱為“超級小鼠”。該團隊於週四在《細胞》雜誌上報告了他們的研究結果。
小鼠和人類的天然眼球只能檢測到波長在 400 到 700 奈米之間的光子，這只是電磁波譜中的一小部分。較短或較長的波長，例如紫外線和紅外線範圍內的波長，對於這兩個物種來說通常是不可見的。角膜和晶狀體濾除了大部分紫外線，而紅外光太弱，無法啟用我們眼睛中的光感受器。“這是我們可見光譜的物理限制，”中國科學技術大學生命科學教授薛天說。“但 Gang 告訴我，他們[正在研究]這種不尋常的材料。”
他指的是所謂的“光子上轉換奈米材料”，因其能夠將低能量、不可見的光子（包括紅外光）轉換為更高能量、可見的光子而得名。賓夕法尼亞大學的材料科學家 Chris Murray（未參與這項工作）表示，這種功能的關鍵在於奈米材料的組成。“它們由一組稱為稀土金屬的元素製成，”他說。“它們最引人入勝的特性之一是它們具有非常長的激發態。”
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當一個典型的原子吸收能量（例如，來自碰撞光子的能量）時，一些圍繞原子核旋轉的電子會以一種不同的、更充滿活力的模式跳舞——但僅持續很短的時間。然後，電子會迅速回到它們之前的位置，原子會以另一個光子的形式噴射出儲存的能量。對於大多數元素，這個瞬間是以十億分之一秒來衡量的。
但是對於稀土金屬，這種激發態可以持續百萬分之一秒甚至千分之一秒。Murray 說，這足以讓另一個光子撞擊原子並積累更多的能量。“這就像有人爬上溼滑梯子的梯級，”他補充道。稀土金屬“有更多的‘牽引力’，因此你可以停留在第二個梯級上足夠長的時間，以便下一波能量將你帶到下一個梯級。” 這使得稀土金屬能夠吸收多個低能量光子（包括紅外線範圍內的光子），並將這些能量以單個、更高能量的可見光子形式釋放出來。
當 Han 告訴薛天關於利用稀土金屬這一特性的材料時，兩人提出了薛天稱之為“一個瘋狂的想法——就像科幻小說一樣”。如果這些金屬可以作為奈米材料整合到動物的眼球中，也許科學家可以將不可見的紅外光轉換為可見光——這將直接將紅外視覺資訊傳遞到視網膜，並有效地創造出賽博格眼睛。“我們懷疑它是否會奏效，”薛天說。“但嘗試一下是好事。”
Han 和薛天使用兩種稀土金屬（釔和鐿）以及一種名為 ConA 的蛋白質構建了他們的奈米粒子。“鐿吸收[紅外]光，然後將能量傳遞給附近的鉺原子，後者將其作為綠光發射出來，” Han 說。具體來說，這種奈米材料吸收 980 奈米的近紅外光（這相對接近可見光譜的紅色邊緣）。ConA 蛋白附著在顆粒上，並幫助引導奈米粒子到達眼睛中的光敏細胞或光感受器。當奈米粒子進入眼睛時，該蛋白會導致奈米粒子像藤壺一樣結殼在光感受器的表面上。
從理論上講，Han 說，這應該允許眼睛將紅外光解釋為綠光，因為奈米材料會發射出綠光光子，該光子（大約一半的時間）與眼睛的天然光感受器相互作用。為了測試它是否真的能讓小鼠在近紅外光下看到東西，Han 和薛天進行了他們能想到的所有測試。他們證實，當與紅外光相互作用時，經過修改的光感受器會向大腦傳送電訊號。他們將紅外光照射到小鼠經過修改的眼睛中，看看它們的瞳孔是否會收縮——結果它們收縮了。未修改的小鼠對這些測試沒有類似的反應。“這很聰明，”西北大學的生物醫學工程師 John Rogers（未參與這項研究）說。“最令人信服的是一系列行為測試。”
在其中一項測試中，Han 和薛天將他們經過修改的小鼠逐一放入一個水池中，除非它們找到一個隱藏的平臺，否則它們肯定會淹死。這些小鼠已經接受過訓練，能夠識別放置在這個平臺上的 LED 標誌，該標誌顯示圖案或形狀。“小鼠想安全地待在平臺上，”薛天說，因此它們會直接遊向標誌。因此，薛天將可見 LED 換成了不可見的近紅外 LED。沒有注射奈米粒子的小鼠在池中漫無目的地遊蕩。但經過修改的小鼠立即找到了平臺。薛天說，這讓他感到不寒而慄。“我們甚至看不到[LED 標誌]，但小鼠每次都遊向正確的螢幕。這太令人毛骨悚然了，”薛天說。
這意味著小鼠可以使用它們的近紅外視覺來辨別周圍世界中的形狀和圖案，並且可以有效地利用這種增強的能力。環境紅外光始終存在於地球表面，但對於夜晚可見光短缺時的人類來說可能最有用。“這就是人類發明夜視鏡的原因，” Han 說。這些裝置將環境紅外光轉換為顯示器上的可見光，使人們能夠在黑暗中看到東西。Han 希望該團隊的新技術有一天能夠實現類似的目的。“這是在眼睛裡，所以沒人知道你擁有它，”他說。“你可以成為超人。”
不過，Murray 指出，這個夢想離現實還很遙遠。“你可能能夠賦予有機體增強能力的這種‘科幻小說’元素是一個引人入勝的想法，”他說。但是，他補充說，“這有點牽強。這些材料的效率還不夠高。”首先，夜晚沒有足夠的環境紅外光讓這些奈米粒子產生真正連貫的影像。此外，薛天和韓的奈米粒子需要經過美國食品和藥物管理局漫長的批准程式才能在人類中進行任何商業用途。這包括對非人類靈長類動物進行測試以及一系列安全試驗，所有這些都可能需要數年時間。
但是 Murray 可以看到其他潛在的應用。“紅外光可以更深入地穿透人體，以完成您想讓它做的事情，”他說。因此，他推測這些奈米粒子可以用來幫助啟用某些可見光難以到達的地方的光敏藥物或治療方法。或者，它們可以用來研究可見光如何與我們的內部器官相互作用。“在體內照射光會對我們不完全理解的地方產生影響，因為那裡沒有正常的光感受器，”Murray 說。“透過紅外線進行的這種深穿透激發現在是這些材料的一個熱門領域。”