Нанотехнологии позволили мышам видеть в инфракрасном диапазоне

Исследование, опубликованное 28 февраля в журнале Cell, сообщает, что мыши со зрением, усиленным нанотехнологиями, смогли видеть инфракрасный свет так же, как и видимый. Однократная инъекция наночастиц в глаза мышей наделила их инфракрасным зрением на срок до 10 недель с минимальными побочными эффектами. Это позволило животным видеть инфракрасный свет даже днём и с достаточной точностью, чтобы различать различные формы. Эти открытия могут привести к прогрессу в технологиях инфракрасного зрения для человека, включая потенциальное применение в гражданском шифровании, безопасности и военных операциях.

Люди и другие млекопитающие ограничены видимым диапазоном световых волн, который включает длины волн радуги. Однако инфракрасное излучение с более длинной волной окружает нас повсюду. Люди, животные и объекты испускают инфракрасный свет, выделяя тепло, а объекты также могут его отражать.

«Видимый свет, который может восприниматься естественным зрением человека, занимает лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра», — говорит старший автор Тянь Сюэ из Научно-технического университета Китая. «Электромагнитные волны длиннее или короче видимого света несут много информации».

Междисциплинарная группа учёных под руководством Сюэ и Цзинь Бао из Научно-технического университета Китая, а также Ган Хана из Медицинской школы Массачусетского университета, разработала нанотехнологию, которая работает с существующими структурами глаза.

«Когда свет попадает в глаз и достигает сетчатки, палочки и колбочки — или фоторецепторные клетки — поглощают фотоны с длинами волн видимого света и отправляют соответствующие электрические сигналы в мозг», — объясняет Хан. «Поскольку инфракрасные волны слишком длинные, чтобы их могли поглотить фоторецепторы, мы не способны их воспринимать».

В этом исследовании учёные создали наночастицы, которые могут прочно прикрепляться к фоторецепторным клеткам и действовать как крошечные преобразователи инфракрасного света. Когда инфракрасный свет попадает на сетчатку, наночастицы захватывают более длинные инфракрасные волны и испускают более короткие волны в пределах видимого диапазона. Близлежащая палочка или колбочка затем поглощает эту укороченную волну и отправляет обычный сигнал в мозг, как если бы на сетчатку попал видимый свет.

«В нашем эксперименте наночастицы поглощали инфракрасный свет с длиной волны около 980 нм и преобразовывали его в свет с пиком на 535 нм, что заставляло инфракрасный свет казаться зелёным», — говорит Бао.

Исследователи протестировали наночастицы на мышах, которые, как и люди, от природы не видят инфракрасный свет. Мыши, получившие инъекции, демонстрировали бессознательные физические признаки обнаружения инфракрасного света, такие как сужение зрачков, в то время как мыши, которым вводили только буферный раствор, не реагировали на инфракрасный свет.

Чтобы проверить, могут ли мыши осмысленно воспринимать инфракрасный свет, исследователи провели серию тестов в лабиринте. Результаты показали, что мыши способны видеть инфракрасный свет в дневных условиях одновременно с видимым светом.

В редких случаях инъекции вызывали побочные эффекты, такие как помутнение роговицы, но они исчезали менее чем за неделю. Это могло быть вызвано самим процессом инъекции, поскольку у мышей, получивших только инъекции буферного раствора, наблюдался аналогичный уровень таких побочных эффектов. Другие тесты не выявили повреждения структуры сетчатки после субретинальных инъекций.

«В нашем исследовании мы показали, что и палочки, и колбочки связывают эти наночастицы и активировались ближним инфракрасным светом», — говорит Сюэ. «Поэтому мы полагаем, что эта технология будет работать и в человеческих глазах, не только для создания «сверхзрения», но и для терапевтических решений при дефектах красно-зелёного цветового зрения у людей».

Современные инфракрасные технологии полагаются на детекторы и камеры, которые часто ограничены дневным светом и требуют внешних источников питания. Исследователи считают, что биоинтегрированные наночастицы более перспективны для потенциального применения в инфракрасном диапазоне в гражданском шифровании, безопасности и военных операциях. «В будущем, мы думаем, есть возможности для улучшения технологии с новой версией органических наночастиц, изготовленных из одобренных FDA соединений, которые, по-видимому, обеспечивают ещё более яркое инфракрасное зрение», — говорит Хан.

Исследователи также считают, что можно провести дополнительную работу для тонкой настройки спектра излучения наночастиц под человеческий глаз, который по сравнению с мышиным использует больше колбочек, чем палочек, для центрального зрения. «Это захватывающая тема, потому что технология, которую мы здесь сделали возможной, в конечном итоге может позволить людям видеть за пределами наших естественных возможностей», — заключает Сюэ.