في تجربة فريدة من نوعها ، تلقت الفئران رؤية الأشعة تحت الحمراء

تتشبث الجسيمات النانوية الخاصة (الموضحة باللون الأبيض) بالعصي (يسار) والأقماع (يمين) في مستقبلات الفأرة الضوئية.

عن طريق حقن الجسيمات النانوية في عيون الفئران ، سمح لهم العلماء برؤية قرب الأشعة تحت الحمراء - الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وعادة ما تكون غير مرئية للقوارض (أو البشر). إن الاختراق الفريد ، الذي هو أكثر غرابة عند فهمه ، هو أن هذه التقنية يمكن استخدامها على البشر.

قام فريق بحث بقيادة تيان شيويه من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين وغانغ خان من كلية الطب بجامعة ماساتشوستس بتغيير رؤية الفئران حتى يتمكنوا من رؤية ضوء الأشعة تحت الحمراء القريب (NIR) مع الحفاظ على قدرتهم الطبيعية على رؤية الضوء الطبيعي. وقد تم ذلك عن طريق حقن الجسيمات النانوية الخاصة في عيونهم. استمر التأثير حوالي 10 أسابيع ودون أي آثار جانبية خطيرة.

أظهرت سلسلة من الاختبارات أن الفئران شهدت في الواقع ضوء الأشعة تحت الحمراء ، وليس بعض الأشياء الأخرى. يقول العلماء أن العين البشرية لا تختلف كثيرا عن عيون الفئران ، الأمر الذي يؤدي إلى منظور رائع حول تطبيق هذه التقنية على البشر.

يمكن للبشر والفئران رؤية مقطع ضيق فقط من الطيف الكهرومغناطيسي ، المشار إليه بواسطة شريط قوس قزح. الحيوانات الأخرى ، مثل الطيور أو النحل ، تكون قادرة على رؤية الأشعة فوق البنفسجية ، والأفاعي لديها أشعة تحت الحمراء.

يمكن للبشر ، مثل الفئران ، رؤية جزء ضيق فقط من الطيف الكهرومغناطيسي . طيف الأطوال الموجية غير المرئية للبشر ضخم ، لا نرى أي شيء خارج حدود ما يسمى الطيف المرئي (الأطوال الموجية من 380 إلى 740 نانومتر). الأشعة تحت الحمراء موجودة في شكل موجات أطول ، من 800 نانومتر إلى ملليمتر.

الأشياء في العالم ، سواء أكانت أشخاصًا أو طبقًا ساخنًا من الحساء أو شيءًا باردًا مثل مكعبات الثلج ، تنبعث منها أشعة تحت الحمراء. لا يمكن للثدييات ، مثل البشر والفئران ، رؤية NIR ، ولكن لدينا تقنيات ، وهي نظارات الرؤية الليلية أو الحرارية ، التي يمكن أن تحول هذا الطيف غير المرئي إلى ضوء يمكننا رؤيته. تقوم التقنية الجديدة المستخدمة في الفئران بشيء مماثل ، ولكن بدلاً من الاعتماد على التكنولوجيا القابلة للارتداء ، استخدم العلماء حلًا بيولوجيًا.

للسماح للفئران برؤية ما وراء الطيف المرئي الطبيعي ، طورت تيان وجانجيس جسيمات نانوية خاصة تزيد من تواتر الإشعاع وتكون قادرة على العمل في هياكل العين القائمة على القوارض. تم حقن قطرات السائل التي تحتوي على جزيئات صغيرة مباشرة في عيونهم ، والتي ، بمساعدة من المراسي الخاصة ، تتناسب بشكل مريح مع خلايا مستقبلات الضوء. عادة ما تمتص خلايا المستقبلات الضوئية - قضبانها وأقماعها - الأطوال الموجية للضوء المرئي ، والتي يفسرها الدماغ على أنها رؤية. في التجربة ، حولت الجسيمات النانوية المحقونة NIR إلى موجة مرئية ، والتي يمكن أن يعتبرها دماغ الفأر معلومات مرئية (في هذا المثال ، اعتبروا NIR ضوء أخضر). كانت الجسيمات النانوية في عيون لمدة شهرين ، مما سمح للفئران برؤية كل من NIR والضوء المرئي مع الحد الأدنى من الآثار الجانبية.



صورة بيانية لعملية الرؤية. عندما تدخل الأشعة تحت الحمراء (الحمراء) إلى خلية مستقبلات الضوء (الدائرة الخضراء الفاتحة) ، تحول الجسيمات النانوية (الدوائر الوردية) NIR إلى ضوء أخضر مرئي.

كانت الجسيمات النانوية الموجودة على خلايا مستقبلات الضوء بمثابة محول للضوء بالأشعة تحت الحمراء. تم التقاط موجات الأشعة تحت الحمراء في شبكية العين بواسطة جسيمات متناهية الصغر ، ثم أطلقتها كموجات أقصر من الضوء المرئي. وبالتالي ، فإن قضبان ومخاريط تمتص موجات أقصر تمكنت من استقبال هذه الإشارة ثم إرسال المعلومات المحولة إلى المنطقة المرئية للقشرة الدماغية. على وجه الخصوص ، تمتص الجزيئات المحقونة معدل الجرد الوطني حوالي 980 نانومتر في الطول وتحويلها إلى 535 نانومتر من الضوء. الفئران ينظر ضوء الأشعة تحت الحمراء والأخضر. كانت النتيجة مماثلة لملاحظة NIR في نظارات الرؤية الليلية ، باستثناء أن الفئران يمكنها أيضًا الحفاظ على إدراكها الطبيعي للضوء المرئي. كما هو موضح سابقًا ، كان التأثير مؤقتًا ، لعدة أسابيع تقريبًا ، في بعض الفئران أصبحت القرنية غائمة ، وسرعان ما تم تطهيرها.

لإثبات أن الطريقة ناجحة حقًا ، أجرت Tian و Gang سلسلة من الاختبارات والتجارب.

على سبيل المثال ، انخفض التلاميذ من الفئران عند التعرض ل NIR ، في حين أن التلاميذ من الفئران دون حقن لم يفعل ذلك. وعندما تتعرض قياسات النشاط الكهربائي للمخ في الفئران المحقونة بجسيمات متناهية الصغر ، عندما تتعرض حصراً لـ NIR ، أظهرت أن العينين والقشرة البصرية تعملان كما في وجود الضوء المرئي.

كما أظهرت الاختبارات السلوكية أن هذه التقنية تعمل. تم تعليم الفئران الموضوعة في المتاهة ذات الشكل Y التعرف على موقع نظام المأوى الخفي الذي يشير إليه NIR. خلال الاختبارات ، وجدت الفئران المحقونة باستمرار منصة ، والسباحة الفئران دون حقن حول المتاهة. اشتمل اختبار آخر على صندوق به مقصورتان: أحدهما بالكامل بدون إضاءة والآخر مضاء بواسطة NIR. الفئران ، مثل المخلوقات الليلية ، تنجذب نحو الظلام. في الاختبارات ، أمضت الفئران التي تم حقنها بالجسيمات النانوية مزيدًا من الوقت في المقصورة دون إضاءة ، ولم تظهر الفئران التي لم يتم حقنها أي تفضيل.

وقال فلاديمير كيفالوف ، أستاذ علوم العيون والعلوم البصرية بجامعة واشنطن في سانت لويس: "لا تترك هذه التجارب الواسعة دون شك أن الفئران التي تحقن بالجسيمات النانوية الحساسة للأشعة تحت الحمراء تكتسب القدرة على رؤية الأشعة تحت الحمراء وتلقي المعلومات البصرية".

في بيان صحفي ، أشار تيان إلى أن الجسيمات النانوية تشبثت بالعصي والأقماع ، وتم تنشيطها بواسطة الأشعة تحت الحمراء المغمورة ، لذلك "نعتقد أن هذه التكنولوجيا ستعمل في عيون البشر ، ليس فقط كإبصار فائق ، ولكن أيضًا لأغراض علاجية." في مقابلة مع الخلية ، أوضح بقوله:

على عكس الفئران ، لدى البشر والقرود الأخرى بنية شبكية تسمى النقرة ، والتي توفر رؤية مركزية عالية الدقة. في النقرة البشرية ، تكون كثافة المخاريط أكبر بكثير من كثافة المخاريط. في حين أن عدد العصي في شبكية العين من الماوس أكبر. نظرًا لأن المخاريط لها حساسيات طيفية وكثافة مختلفة مقارنة بالعصي ، فقد نحتاج إلى ضبط طيف انبعاث UCNP لتنشيط الأقماع من النوع المطلوب بشكل أكثر فعالية في البشر.

كما قال تيان ، لكي تعمل هذه التقنية من أجل شخص ما ، يجب تغييرها ، لكن التجارب الجديدة تظهر أن التغيير ممكن. قال كيفالوف إن إمكانية استخدام مثل هذا المفهوم في البشر حقيقية ومثيرة ، لكنه حذر من أنه لا يزال أمامنا طريق طويل لنقطعه.

وقال كيفالوف: "أظهر الباحثون أن حقنة واحدة من الجسيمات النانوية لا تؤثر سلبًا على شبكية العين". "ومع ذلك ، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت الرؤية بالأشعة تحت الحمراء العملية ستتطلب حقنًا متكررة ، وإذا كان الأمر كذلك ، فما إذا كانت الرؤية بالأشعة تحت الحمراء المزمنة ستؤثر على بنية عيوننا ووظيفتها".

تبدو القدرة على رؤية ضوء الأشعة تحت الحمراء رائعة ، لكن ذلك سيكون بالتأكيد علامة مفيدة. يمكن أن نرى أشياء كثيرة تتجاوز حدود طيفنا المرئي المعتاد - وسيكون لدينا نظام رؤية ليلية مدمج. كما أوضح تيان للخلية:

يحاول العلماء تطوير تقنية جديدة تسمح باستخدام القدرات التي تتجاوز قدراتنا الطبيعية. يشغل الضوء المرئي ، الذي يمكن رؤيته بواسطة الرؤية الطبيعية للشخص ، جزءًا صغيرًا جدًا من الطيف الكهرومغناطيسي. الموجات الكهرومغناطيسية أطول أو أقصر من الضوء المرئي تحمل المزيد من المعلومات. اعتمادًا على المادة ، قد يكون للجسم أيضًا امتصاص وانعكاس مختلفان في الأشعة تحت الحمراء القريبة. لا يمكننا اكتشاف هذه المعلومات بالعين المجردة.

ميزة أخرى مثيرة للاهتمام لهذا التحسين المحتمل هي أن الشخص لا يحتاج إلى ارتداء معدات ضخمة وكثيفة الطاقة ، مثل نظارات الرؤية الليلية. والتكنولوجيا لا تتطلب أي تلاعب وراثي. على الأرجح ، سيكون الجيش مهتمًا بهذا العمل.

ووصفت دايونغ جين من كلية العلوم الرياضية والفيزيائية بجامعة سيدني للتكنولوجيا العمل الجديد بأنه "مبتكر وملهم للغاية". وقال دايونج إنه ، على حد علمه ، "هذا العمل هو المثال الأول على الأجهزة النانو البصرية القابلة للزرع" و "القابلة للارتداء". وقال إنه من المهم ألا يكون لدى الفئران التهاب أو موت الخلايا ، لكن من الممكن أن تمتص بعض الخلايا الجسيمات النانوية ، وهو احتمال "يستحق المزيد من التدقيق".

وبالمثل ، تأثرت كيفالوف بالدراسة ، قائلة إن "المؤلفين قاموا بعمل جيد بشكل مثير للدهشة من خلال وصف تأثير حقن الجسيمات النانوية الحساسة للأشعة تحت الحمراء على الوظيفة البصرية للفئران" ، مضيفًا أن "هذا العمل المبتكر يوضح طريقة أصلية وقوية لتعزيز قدرة النظام البصري على اكتشاف الضوء في حدود الطيف المرئي الطبيعي ". وهو يرى أنه "ملفت للنظر" أن الجسيمات النانوية على الأرجح لا تتداخل مع الوظيفة الطبيعية لمستقبلات الضوء في الضوء المرئي.

وقال فيما يتعلق بما إذا كان يمكن استخدام هذه التقنية لتصحيح ضعف البصر مثل عمى الألوان ، فإن هذا أقل وضوحًا.

وقال كيفالوف: "نظرًا لأن الاستقبال يعتمد على قدرة المستقبلات الضوئية على اكتشاف الإشارات الضوئية وتضخيمها ، فإن استخدامها لعلاج اختلال وظائف المستقبِل الضوئي سيتطلب تطوير مراحل جديدة ، بالإضافة إلى تحويل الضوء إلى ما وراء الطيف المرئي".

بالنظر إلى المستقبل ، ترغب Tian و Gang في تحسين التقنية باستخدام الجسيمات النانوية العضوية التي تتكون من مواد معتمدة من قبل FDA ، والتي يمكن أن تؤدي إلى رؤية أكثر إشراقًا للأشعة تحت الحمراء. كما يرغبون في تخصيص هذه التقنية بحيث تكون أقرب إلى البيولوجيا البشرية. متفائل بشأن اتجاه التكنولوجيا ، قدمت Tian و Ganges بالفعل طلب براءة بخصوص عملها.

أقدم إعلانات تلفزيونية بالفعل: "اسأل طبيبك إذا كانت الرؤية القريبة من الأشعة تحت الحمراء مناسبة لك."

www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1