人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael

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网上十大正规赌网址大全,自然界存在众多光线,能被人眼感受到的可见光只占很小一部分,比如人类就看不到红外光。但最近的一项研究或许能让人类具有红外光感知能力。

人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。据外媒New
Atlas报道,越早检测到早期癌症,治好癌症的几率越大。但一些肿瘤很难发现,直到它们达到一定的大小,而此时可能为时已晚。麻省理工学院的研究人员现已开发出一种新的光学成像系统,可用于发现体内深处的微小肿瘤。

人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。在低分辨率下的小鼠大脑组织中,红外光谱学可将星形胶质细胞与神经元分辨开来。图片来源:ARIS
POLYZOS & LILA LOVERGNE

前不久,中国科学技术大学生命科学与医学部薛天研究组与美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲研究组合作,结合视觉神经生物医学与创新纳米技术,首次实现了动物裸眼红外光感知和红外图像视觉。该研究成果已在线发表在国际权威期刊《细胞》上。

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赌博信誉平台赌博正规网址大全,人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。为了观察细胞,研究人员经常不得不“虐待”它:把它从“家”里揪出来,用有毒的固定液浸泡它,修改它的DNA,强迫它产生可能会扰乱生物化学性质的异质蛋白质。即便这个细胞能够存活下来,它永远也不可能是原来的那个细胞了。但未来有一天,一束强大而温柔的光线或可让研究人员在不伤害细胞并使其存活以用于其他研究的情况下对其进行归类。

十大网赌网站,人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。努力探索获得夜视能力的方法

网赌网址,目前,在医学成像的深度和分辨率方面都存在一些限制。MRI和CT检查可以扫描整个身体,但可能会错过小于1厘米的肿瘤。另一方面,光学成像技术可以看到较小的肿瘤,但是深度可能超过约3厘米。

十大赌博靠谱信誉平台,美国加州劳伦斯·伯克利国家实验室生物物理学家Cynthia
McMurray和物理学家Michael
Martin带领的一个团队发现,通过用同步加速器产生的红外辐射强光扫描细胞,它们会捕捉到一种可揭示细胞特点的生物化学标记。

人类为何看不到红外光?主要是由于红外光光子能量较低。为了感知红外光,眼睛的感光蛋白必须降低其吸收能量阈值,然而过低的能量阈值会使热能更容易自发激发感光蛋白活性,从而影响探测信噪比。

人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。“我们希望能够更早地发现癌症,”该研究的共同主要作者Angela
Belcher表示。“我们的目标是找到微小的肿瘤,并以无创的方式进行。”

人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。研究人员在今年6月于英国举行的一次会议上报告了该方法的初步结果,现在,他们在用陈扎克伯格倡议为期1年的试验拨款对其进行评估。如果该方法可以起作用,该团队的光谱表型技术将可以为另一个由CZI支持的项目提供工具,这个名为“人类细胞图集”的国际合作项目旨在绘制人体内每个细胞的种类和位置。如果该同步加速器驱动方法适用于其他实验室和医院使用的更加柔和的红外仪器,那么光谱表型技术未来有一天或可帮助诊断疾病、探测导致疾病的细胞变化并了解胚胎的发育。“我们使用的工具将会让这个领域焕然一新。”McMurray预测。

人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。“换句话说,自然界中电磁波波谱范围很广,以波长划分由短至长包括γ射线、X射线、UV光、可见光、红外线、微波、无线电波等。能被我们眼睛感受的可见光只占电磁波谱里很小的一部分,这是由视网膜感光细胞中的感光蛋白所固有的理化特性所决定的。”项目负责人薛天告诉科技日报记者。

人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。对于这项新研究,研究人员试图充分利用这两个领域。由于波长较长,近红外光可以比其他光学方法更深入地穿透身体,并以更高的分辨率进行。诀窍是一次成像多个近红外波长,这一过程称为高光谱成像。

人类为什么看不到红外光,McMurray和物文学家Michael。熟悉这一未发表成果的科学家称该方法具有前景。英国曼彻斯特大学光谱学家Peter
Gardner说:“我很期待看到这项研究的结果。”都柏林理工学院化学物理学家Hugh
Byrne对该团队如何彻底测试该方法印象深刻。他表示,“这是证明该技术潜力的恰当研究”。

不仅人类,在生物的进化历程中,尚未发现任何动物能够基于感光蛋白感知波长超过700纳米的红外光,更没有动物能够在大脑中形成红外光图像视觉。不过已有研究证实,个别动物,如部分蛇类,可以通过温度感知红外光。

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Martin和McMurray喜欢把他们的方法与另一种广泛使用的细胞鉴别技术作对比:荧光标记。为了刺激特定种类的细胞产生诸如绿色荧光蛋白的标记,科学家需要给它们装备相关分子基因。但加入DNA的技术会改变细胞,因为GFP对它们来说是外来的——来自于一种水母,且会改变细胞的生理机能。此外,McMurray指出,研究人员通常需要用激光照射荧光标签使其发光,这会损伤或杀死细胞。其他技术也具有一定的侵入性。“如果做标记或染色,就会改变细胞的真正化学性质。”Martin说,“我们想要探索细胞的化学性质,而非对它作出改变后进行测量。”

然而红外线广泛地存在于自然界中,对其探测感知将帮助我们获取超过可见光谱范围的信息。

然后可以从身体外部拾取这些信号,并使用团队开发的算法进行分析,以确定探头在体内的位置以及探头的深度。该团队称其系统为DOLPHIN,即“使用高光谱和近红外漫射成像检测光学发光探测器”。

这正是红外光谱技术的用武之地。“红外线没有侵入性,因此,它可被用于未受损伤的组织和活体细胞。”McMurray说。当一个样本被暴露在不同波长的红外辐射下时,它吸收的每个波段的红外光量可以表明其中含有的化学物质群的种类。与荧光标记不同,这种吸收模式通常不会揭示细胞是否在产生一种特殊分子,例如免疫受体CD4或CD8,它们经常被用于界定两类T细胞。但细胞的红外光谱特征的确可以揭示广泛的细胞种类,例如脂肪和蛋白质,从而提供生物化学指纹。因此,“你可以得到更全面的细胞图像”,Byrne说。

为了获取超过可见光谱范围的信息,人类发明了以光电转换和光电倍增技术为基础的红外夜视仪。但它有诸多缺陷,如笨重、佩戴后行动不便、需要靠有限的电池供电、可能被强光过曝、同可见光环境不兼容等。

为了测试DOLPHIN系统,该团队使用含有不同纳米颗粒的探针,这些纳米颗粒会在不同波长的近红外光下发出荧光。然后,他们让小鼠吞下探针,并通过消化系统追踪进展。考虑到探头只有0.1毫米长,远远小于光学成像通常可能的探头,这一点尤其令人印象深刻。

Martin和McMurray说,标准的红外来源并不能提供他们所需要的敏感性,因此该团队转而使用LBNL的先进光源同步加速器,其产生的红外光束是世界上最亮的光束之一。Martin说:“它可以让我们得到更高的分辨率和保真度。”在6月份于格拉斯哥举行的SPEC2018会议上,McMurray和Martin说,它们可以区别小鼠大脑切片中的两种脑细胞——神经元和星形胶质细胞。在模拟亨廷顿氏病症状的啮齿类动物脑组织中,它们也能检测出表明器官退化的脂肪增多。未来,研究人员计划通过征募机器学习算式选出每个细胞种类的特征,让细胞分辨自动化。

为解决上述问题并发展裸眼无源红外视觉拓展技术,从事视觉研究多年的薛天注意到韩纲研究组的一种转换纳米材料,这种材料就能够把近红外光转换成可见光线——绿光。

更好的是,该团队还打破了深度记录。在另一项试验中,将颗粒注入小鼠和大鼠的体内,可以看到深达4厘米。当他们在动物组织样本和人类组织上进行测试时,最大深度加倍。

McMurray和同事仍然需要决定细胞的光谱标签是否会在体内保持一致,还是会随着位置而变化。作为潜在的医疗用途,他们还希望了解当个人细胞的红外标签发生改变时,这个人是否会生病。然而,到目前为止,研究人员仅仅分析了小鼠的组织。“我们想要确保这种方法的稳健性。”McMurray说。

红外感知能力得到实验验证

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新技术有一个明显的限制,同步加速器体积庞大、成本高昂,而且十分稀少,它们经常有着要等待数月的研究名单。“你不可能把同步加速器带进医院。”Gardner说。但他指出,实验室设备正在迅速向能够产生粒子加速器的红外光强度靠拢。McMurray补充说,在使用同步加速器确定各种细胞类型的独特光谱模式后,研究人员计划发布一个目录,让其他科学家能够比较自己的样本结果,即使是用识别能力较低的实验室设备得到的结果。

“如果能将这种材料植入动物眼睛,那将非常有意义。”薛天说,科研人员研究出一种特异表面修饰方法,使该纳米材料可以与感光细胞膜表面特异糖基分子紧密连接,从而牢牢地贴附在感光细胞表面。

就目前而言,这只是一个概念证明,看看是否有可能使用DOLPHIN系统来成像如此小的,如此深入地进入身体。现在该团队计划调整探针,以便他们可以寻找和标记肿瘤,使它们发荧光。

Gardner期待该项目能有一定影响。“他们有工具、有技术,还有专家,可以让这项工作加速推进。”

“修饰后的纳米颗粒就成为一种隐蔽的、无须外界供能的‘纳米天线’。”论文第一作者、中国科学技术大学博士马玉乾告诉记者,“我们将这种内置的‘纳米天线’命名为pbUCNPs,即视网膜感光细胞特异结合的上转换纳米颗粒。”

“就实际应用而言,这项技术将使我们能够非侵入性地追踪0.1毫米大小的荧光标记肿瘤,这是一个约有几百个细胞的集群,”该研究的共同主要作者Neelkanth
Bardhan表示。“据我们所知,此前没有人能够使用光学成像技术做到这一点。”

为了能够让小鼠看见近红外光,科研人员将含有纳米颗粒的液体注射到小鼠眼睛中。但是,如何才能证明小鼠可以看见近红外光,并知晓它们的近红外视觉有多强呢?

该团队的第一个目标是卵巢癌,众所周知这通常难以发现,而被发现时往往为时已晚。该团队接下来的目标包括胰腺癌,脑癌和皮肤癌等。

研究人员进行了多种视觉神经生理实验。瞳孔光反射实验中,在近红外光照射下,已注射小鼠的瞳孔产生收缩,而未注射小鼠的瞳孔没有任何变化。

该研究发表在《科学报告》杂志上。

针对小鼠是夜行动物,喜欢黑暗的特性,研究人员设计了一个带隔间的箱子,一个隔间全黑,一个用近红外光照亮。观察发现,已注射小鼠在黑暗隔间停留的时间更长,而未注射小鼠在两个隔间的停留时间基本相同。研究人员表示,这两个实验证明小鼠的光感受器细胞被近红外光激活,产生的信号通过视神经传递到小鼠大脑视觉皮质,小鼠具有感知红外线的能力。

研究人员通过多种神经视觉生理实验,从单细胞电生理记录,在体视网膜电图和视觉诱发电位,到多层面的视觉行为学实验,证明了从外周感光细胞到大脑视觉中枢,视网膜下腔注射pbUCNPs纳米颗粒的小鼠不仅获得感知红外线的能力,还可以分辨复杂的红外图像。值得指出的是,在获得红外视觉的同时,小鼠的可见光视觉没有受到影响。

“也就是说,动物可以同时看到可见光与红外光图像,并且可见光视觉不受到影响”薛天说,“这是令人兴奋的发现。”

我们的“视界”或因此而拓展

“这项研究突破了传统近红外仪的局限,并发展出裸眼无源红外视觉拓展技术,证明了人类拥有超级视觉能力的可能。”薛天告诉记者,像人类这样的哺乳动物在视觉上只能处理可见光谱中的光线,这项技术未来或将使人类拥有“夜间视物”的超视能力。

科研人员的研究还发现,pbUCNPs纳米材料具有良好的生物相容性。分子、细胞、组织器官以及动物行为的检验证明,该材料可以长期存在于动物视网膜,而对视网膜及动物视觉能力都没有发现明显负面影响。

据此,科研人员有信心地认为,这项技术有效拓展了动物的视觉波谱范围,首次实现裸眼无源的红外图像视觉感知,突破了自然界赋予动物的视觉感知物理极限。

“这项技术未来或许能弥补‘视觉缺陷’。”薛天表示,通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料,有可能辅助修复视觉感知波谱缺陷相关疾病,例如红色色盲;这种可与感光细胞紧密结合的纳米修饰技术还可以被赋予更多的创新性功能,如眼底药物的局部缓释、光控药物释放等。

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