Des nanoparticules spéciales (montrées en blanc) s'accrochent aux bâtonnets (à gauche) et aux cônes (à droite) dans les photorécepteurs de souris.En injectant des nanoparticules dans les yeux des souris, les scientifiques leur ont permis de voir la lumière infrarouge proche - un rayonnement électromagnétique, généralement invisible pour les rongeurs (ou les humains). Une percée unique, encore plus inhabituelle lorsqu'elle est comprise, est qu'une telle technique peut être utilisée sur l'homme.
Une équipe de recherche dirigée par Tian Xue de l'
Université des sciences et technologies de Chine et Gang Khan de l'
Université du Massachusetts Medical School a changé la vision des souris afin qu'elles puissent voir
la lumière infrarouge proche (NIR) tout en conservant leur capacité naturelle à voir la lumière normale. Cela a été accompli en injectant des nanoparticules spéciales dans leurs yeux. L'effet a duré environ 10 semaines et sans effets secondaires graves.
Une série de tests a montré que les souris voyaient réellement la lumière infrarouge, et pas d'autres choses. Les scientifiques disent que l'œil humain n'est pas trop différent des yeux des souris, ce qui conduit à une perspective fantastique sur l'application de cette technique aux humains.
Les humains et les souris ne peuvent voir qu'une section étroite du spectre électromagnétique, indiquée par la bande arc-en-ciel. D'autres animaux, comme les oiseaux ou les abeilles, peuvent voir les ultraviolets et les serpents ont un rayonnement infrarouge.Les humains, comme les souris, ne peuvent voir qu'une partie étroite du
spectre électromagnétique . Le spectre des longueurs d'onde invisibles aux humains est immense, on ne voit rien au-delà des frontières du
spectre dit
visible (longueurs d'onde de 380 à 740 nanomètres). Le rayonnement infrarouge existe sous forme d'ondes plus longues, de 800 nm au millimètre.
Les objets du monde, qu'il s'agisse de personnes ou d'une assiette chaude de soupe ou de quelque chose de froid comme un glaçon, émettent des rayons infrarouges. Les mammifères, comme les humains et les souris, ne peuvent pas voir le NIR, mais nous avons des technologies, à savoir des lunettes de vision nocturne ou thermique, qui peuvent convertir ce spectre invisible en lumière que nous pouvons voir. La nouvelle technique utilisée sur les souris fait quelque chose de similaire, mais au lieu de s'appuyer sur une technologie portable, les scientifiques ont utilisé une solution biologique.
Pour permettre aux souris de voir au-delà du spectre visible normal, Tian et Ganges ont développé des nanoparticules spéciales qui augmentent la fréquence du rayonnement et sont capables de fonctionner dans les structures oculaires des rongeurs existantes. Des gouttes de liquide contenant de minuscules particules ont été injectées directement dans leurs yeux, dans lesquelles, à l'aide d'ancrages spéciaux, elles s'adaptent parfaitement contre les cellules photoréceptrices. Les cellules photoréceptrices - bâtonnets et cônes - absorbent généralement les longueurs d'onde de la lumière visible, que le cerveau interprète comme une vision. Dans l'expérience, les nanoparticules injectées ont converti le NIR en une onde visible, que le cerveau de la souris pouvait percevoir comme une information visuelle (dans cet exemple, ils considéraient le NIR comme une lumière verte). Les nanoparticules ont été dans les yeux pendant deux mois, permettant aux souris de voir à la fois le NIR et la lumière visible avec un minimum d'effets secondaires.
Image graphique du processus de vision. Lorsque la lumière infrarouge (rouge) pénètre dans la cellule photoréceptrice (cercle vert clair), les nanoparticules (cercles roses) convertissent le NIR en lumière verte visible.Les nanoparticules sur les cellules photoréceptrices ont servi de transducteur de lumière infrarouge. Des ondes infrarouges ont été capturées dans la rétine par des nanoparticules, qui les ont ensuite émises sous forme d'ondes de lumière visible plus courtes. Ainsi, des bâtonnets et des cônes absorbant des ondes plus courtes ont pu recevoir ce signal puis envoyer les informations converties à la zone visuelle du cortex cérébral. En particulier, les particules injectées ont absorbé un NIR d'environ 980 nm de longueur et l'ont converti en 535 nm de lumière. Les souris ont perçu la lumière infrarouge comme verte. Le résultat était similaire à l'observation du NIR dans des lunettes de vision nocturne, sauf que les souris pouvaient également maintenir leur perception normale de la lumière visible. Comme déjà indiqué, l'effet a été temporaire, pendant plusieurs semaines environ, chez certaines souris la cornée est devenue trouble, ce qui s'est rapidement dissipé.
Pour prouver que la méthode fonctionne vraiment, Tian et Gang ont mené une série de tests et d'expériences.
Par exemple, les pupilles des souris ont diminué lorsqu'elles ont été exposées au NIR, contrairement aux pupilles des souris sans injection. Et lorsqu'ils sont exposés exclusivement au NIR, les mesures de l'activité électrique du cerveau chez les souris injectées avec des nanoparticules ont montré que les yeux et le cortex visuel fonctionnent comme en présence de lumière visible.
Des tests comportementaux ont également montré que la technique fonctionne. Les souris placées dans le labyrinthe en Y ont appris à reconnaître l'emplacement de la plateforme d'abri cachée vers laquelle pointe NIR. Au cours des tests, les souris injectées ont constamment trouvé une plate-forme et les souris sans injections ont nagé autour du labyrinthe. Un autre test comprenait une boîte à deux compartiments: l'un complètement sans lumière et l'autre éclairé par NIR. Les souris, comme les créatures nocturnes, gravitent vers l'obscurité. Dans les tests, les souris injectées avec les nanoparticules ont passé plus de temps dans le compartiment sans lumière, et les souris sans injections n'ont montré aucune préférence.
"Ces expériences approfondies ne laissent aucun doute sur le fait que les souris injectées avec des nanoparticules sensibles aux infrarouges acquièrent la capacité de voir la lumière infrarouge et de recevoir des informations visuelles", a déclaré Vladimir Kefalov, professeur d'ophtalmologie et de sciences visuelles à l'Université de Washington à Saint-Louis.
Dans un communiqué de presse, Tian a indiqué que les nanoparticules s'accrochaient aux bâtonnets et aux cônes, et qu'elles étaient activées par une lumière infrarouge plongée, donc "nous pensons que cette technologie fonctionnera aux yeux de l'homme, non seulement en tant que super-vision, mais également à des fins thérapeutiques". Dans une interview avec Cell, il a précisé en disant:
Contrairement aux souris, les humains et les autres primates ont une structure rétinienne appelée fovéa, qui offre une vision centrale haute définition. Dans la fovéa humaine, la densité des cônes est bien supérieure à celle des bâtonnets; tandis que le nombre de bâtons dans la rétine de la souris est supérieur. Étant donné que les cônes ont des sensibilités spectrales et d'intensité différentes par rapport aux bâtonnets, nous pouvons avoir besoin d'affiner le spectre d'émission UCNP pour activer plus efficacement les cônes du type souhaité chez l'homme.
Comme l'a dit Tian, pour que cette technologie fonctionne pour une personne, elle doit être modifiée, mais de nouvelles expériences montrent que son changement est possible. Kefalov a déclaré que le potentiel d'utilisation d'un tel concept chez l'homme est réel et passionnant, mais il a averti que nous avons encore un long chemin à parcourir.
"Les auteurs ont montré qu'une seule injection de nanoparticules n'affecte pas négativement la rétine de la souris", a déclaré Kefalov. "Cependant, on ne sait toujours pas si la vision infrarouge pratique nécessitera des injections répétées et, dans l'affirmative, si la vision infrarouge chronique affectera la structure et la fonction de nos yeux."
La capacité de voir la lumière infrarouge semble fantastique, mais ce serait certainement un signe utile. Nous pourrions voir beaucoup de choses au-delà des limites de notre spectre visuel habituel - et nous aurions un système de vision nocturne intégré. Comme Tian l'a expliqué à Cell:
Les scientifiques tentent de développer une nouvelle technologie qui permet d'utiliser des capacités au-delà de nos capacités naturelles. La lumière visible, qui peut être perçue par la vision naturelle de la personne, occupe une très petite partie du spectre électromagnétique. Les ondes électromagnétiques plus longues ou plus courtes que la lumière visible transportent beaucoup plus d'informations. Selon le matériau, l'objet peut également avoir une absorption et une réflexion différentes dans le proche infrarouge. Nous ne pouvons pas détecter ces informations à l'œil nu.
Une autre caractéristique intéressante de cette amélioration potentielle est qu'une personne n'a pas besoin de porter des équipements encombrants et énergivores, tels que des lunettes de vision nocturne. Et la technologie ne nécessite aucune manipulation génétique. Très probablement, les militaires seront intéressés par ce travail.
Dayong Jin de l'
École des sciences mathématiques et physiques de l'Université de technologie de Sydney a qualifié le nouveau travail de «très innovant et inspirant». Dayong a déclaré qu'à sa connaissance, "ce travail est le premier exemple de nanodispositifs optiques implantables et" portables "". Il a dit qu'il est important que les souris n'aient pas d'inflammation ni de mort cellulaire, mais qu'il est possible que certaines cellules aient absorbé les nanoparticules, une perspective «digne d'une étude plus approfondie.
De même, Kefalov a été impressionné par l'étude, déclarant que "les auteurs ont fait un très bon travail en caractérisant l'effet de l'injection de nanoparticules sensibles aux infrarouges sur la fonction visuelle des souris", ajoutant que ce "travail innovant démontre une méthode originale et puissante pour améliorer la capacité du système visuel à détecter la lumière dans les limites du spectre visible naturel. " Il considère "frappant" que les nanoparticules n'interfèrent probablement pas avec la fonction normale des photorécepteurs en lumière visible.
Quant à savoir si cette technique peut être utilisée pour corriger une déficience visuelle telle que le daltonisme, cela est moins clair, a-t-il déclaré.
"Puisque la réception est basée sur la capacité des photorécepteurs à détecter et amplifier les signaux lumineux, son utilisation pour traiter les dysfonctionnements des photorécepteurs nécessitera le développement de nouvelles étapes, en plus de convertir la lumière au-delà du spectre visible", a déclaré Kefalov.
En regardant vers l'avenir, Tian et Gang souhaitent améliorer la technique en utilisant des nanoparticules à base organique constituées de substances approuvées par la FDA, ce qui peut conduire à une vision infrarouge encore plus lumineuse. Ils souhaitent également personnaliser la technique afin qu'elle soit plus proche de la biologie humaine. Optimistes quant à l'orientation de la technologie, Tian et Ganges ont déjà déposé une demande de brevet concernant leur travail.
Je présente déjà des publicités télévisées: "Demandez à votre médecin si la vision dans le proche infrarouge vous convient."
www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1