红外光中的“老鼠大惊小怪”：将纳米颗粒引入小鼠眼的视网膜下区域

我们周围的世界充满着各种形式的信息。 不管您在哪里：室内还是室外，城市或田野中心，热带地区还是白雪皑皑的冻原。 无论何时何地，您的大脑都会收到某种信息。 就其本身而言，如果将其夸大了，在通知您有关环境方面毫无用处。 为了帮助他，我们有感觉器官（眼睛，耳朵，舌头，鼻子和皮肤）。 但是，我们所能感知的信息远非我们所能看到的所有信息，尤其是红外辐射，而这是我们的眼睛看不见的。 至少是以前。 今天，我们将与您会面一项研究，在这项研究中，普通小鼠具有通过纳米技术从近场看到红外辐射的能力。 科学家是如何实现这一目标的，鼠标在“改进”后的感觉如何？这项发现对人类的前景如何？ 我们将在研究小组的报告中寻找这些和其他问题的答案。 走吧

学习基础

在地球上的居民中，人类的视野不是最好的，但不是最坏的。 说它有一定的局限性会更正确。 我们能够感知“可见光”，即辐射范围为400至700 nm。 但是近场的红外辐射（以下简称NIR）位于700 nm的上限之上。

如果您再深入一点，那么问题就出在哺乳动物眼睛的结构上，即您和我。 眼睛中有感光器-视网膜的感光神经元。 细胞内部有视蛋白*和视紫红质* ，它们在光的感知（即视觉）中扮演着最重要的角色之一。

视蛋白*是与位于视网膜光敏细胞中的G蛋白相关的受体。

视紫红质*是一种蛋白质，是视网膜视杆中的主要视觉色素。

这整个受体群旨在捕获光，即光子。 但是使用NIR辐射，一切都变得更加复杂。 在近红外的情况下，光子具有较低的能量。 因此，视蛋白必须具有较低的能垒才能感知此类光子。 否则，只有强烈的热噪声。 换句话说，哺乳动物感光体在物理上根本无法“捕获” 700 nm以上的光辐射，特别是NIR辐射。

但是你我知道真正的生理限制不能阻止真正的科学家。 感光器的问题可以通过为它们提供纳米颗粒形式的助剂来解决，该助剂将执行天然细胞（器官，系统等）无法实现的那些功能。 这就是科学家在研究中所做的。 他们开发了带有内置自主辐射源的特殊纳米颗粒，可以扩大哺乳动物（在这种情况下为小鼠）的可见光谱范围。 科学家解释说，pbUCNP（视网膜感光受体上转换纳米粒子）纳米粒子是一种能量转换器。 它们将近红外辐射转换为较短波长的可见光。

通过视网膜下注射（在视网膜下方）稀释在磷酸钠缓冲液中的纳米颗粒，对小鼠眼睛进行“修饰”。 使用视网膜电图*和来自小鼠大脑视觉皮层的视觉诱发电位数据*有助于建立这样的事实，即视网膜和视觉皮层在暴露于红外辐射形式的外部刺激时非常活跃。 简而言之，具有嵌入的pbUCNP纳米颗粒的小鼠对NIR辐射产生了反应。

诱发电位* -器官对外部刺激的电反应。

视网膜电图* -通过记录光刺激引起的生物电位来研究视网膜状态。

还进行了行为测试，也证实了上述说法。 此外，科学家测试了纳米颗粒和小鼠生物的生物相容性，这仅显示出较小的副作用。 稍后我们将讨论测试，测试和数据分析的结果，但是现在我们应该熟悉这些惊人的纳米粒子的组成。

PbUCNP结构

纳米粒子的主要目的是将红外光（大于700 nm）转换为可见光。 考虑到人眼对波长为550 nm的可见光最敏感，因此创建了UCNP（ 1A和1B ）所谓的转换（或上转换）纳米粒子。

如果我们谈论光子，那么上转换就是将具有较低能量（即大波长）的几个光子转换为具有较高能量（即光子）的一个光子的过程。 波长短。 考虑到哺乳动物眼睛感光器的特性，这正是需要的。


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当暴露于980 nm（ 1C和1D ）的光时，这些纳米颗粒在980 nm处的激发光谱中出现峰值，而在535 nm处的辐射中出现峰值。

为了获得水溶性纳米颗粒，科学家将蛋白伴刀豆球蛋白A（ConA）应用于paaUCNP颗粒的表面，即用聚丙烯酸（ 1E ）包被。 ConA的使用是合理的，因为该蛋白与糖残基和感光体外部片段的衍生物完美结合，从而形成糖苷键* 。

糖苷键*是糖分子和另一个分子之间的共价键。

有必要在UCNP的表面上验证ConA实施的成功。 为此，科学家向含有pbUCNP的溶液中添加了b-环糊精，该bbUCNP具有与感光器外部相同的葡萄糖单位。 结果，发生了ConAb-环糊精聚集（缔合）（图像1G上的TEM图像）。

因此，这些观察结果证实pbUCNP可以成功地附着于小鼠感光体的表面。

在1H TEM图像中，可以看到添加b-环糊精时pbUCNPs保持其单分散性，这都是因为该组合中不存在ConA蛋白。 将这种pbUCNPs引入小鼠眼的视网膜下区域（ 1F ）导致了纳米颗粒相互结合的事实，从而与视锥和视杆的内部和外部部分（ 1J ， 1K和1L ）形成了紧密的关系。 因此，形成了具有特征性上转换光谱的纳米颗粒层（图像在1I的左侧）。

如果将paaUCNP颗粒引入到小鼠眼睛的视网膜下区域，则它们会形成非常脆弱的键，因此可以轻松地将它们从感光器上去除（图1I右侧的图像）。

生物相容性检查未显示任何严重异常。 为了进行测试，还将一种简单的磷酸钠缓冲溶液（不含纳米颗粒）注射到了小鼠眼睛的视网膜下区域-没有发现差异。 所检测到的那些副作用与视网膜下注射本身有关，并且在手术后2周内完全消失。

检查视网膜的完整性和健康的感光细胞数量表明，即使每只眼睛引入50 mg pbUCNP，也未观察到负变化。 即，视网膜的层的结构不劣化（这可以在图像2A和2B中看到）。


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科学家们还决定使用Iba1小胶质细胞标记物检查大鼠视网膜的炎症过程。 分析显示，在注射pbUCNP（ 2C和2E ）后的第1、2、4和10周视网膜出现轻微炎症。

另外，通过用末端脱氧核苷酸转移酶（TUNEL）标记来测试注射后视网膜细胞的凋亡（衰变）。 注射pbUCNP和纯磷酸钠缓冲液（ 2D ）后仅3天就检测到TUNEL信号。 在注射后的第1、2、4和10周，未检测到TUNEL征象（ 2E ）。

总结以上分析的结果，科学家得出了一个显而易见的结论-pbUCNP不会损害测试人员的身体（小鼠），除了某些单独由眼睛视网膜下区域注射程序引起的副作用外。

现在我们知道了什么是pbUCNP以及它如何影响实验小鼠的健康，我们可以继续考虑pbUCNP纳米颗粒可操作性的实际测试结果。

研究成果

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为了测试感光体对红外辐射的反应，在注射纳米颗粒的小鼠和不注射纳米颗粒的小鼠中采集了来自视网膜的棒状样品（ 3A ）。

与未注射（未注射-3B和注射-3D ）的小鼠相比，注射pbUCNP的小鼠的棒显示出由535 nm的可见光引起的正常光电流。

当暴露于980 nm的闪光灯下时，仅从具有pbUCNP的小鼠的棒中获得了应答（ 3E ），普通小鼠的棒根本没有反应（ 3C ）。 还值得注意的是，当暴露于535 nm和980 nm（ 3F ， 3G和3H ）的光下，带有pbUCNP的小鼠视杆中光电流的幅度和动力学具有很强的相似性。 而且时间和峰值的比率表明，当暴露于红外辐射时，棒的激活没有延迟。 还发现，棒（注射后）迅速适应红外光，可见光通常如此。

注射和不注射的小鼠的视网膜电图（ERG）也证实了对980 nm红外辐射的反应。 此外，当暴露于可见光（535 nm）时，具有pbUCNP的小鼠的ERG结果与结果非常相似。 对照组小鼠（无纳米颗粒）没有反应。

此外，科学家对没有棍棒的小鼠进行了测试。 该测试表明，通过暴露于pbUCNP纳米颗粒，可在980 nm的辐射下激活视锥细胞。

可以说，在进行了实验室测试之后，科学家们开始进行实践测试。 也就是说，他们决定亲自观察在特殊条件下注射或不注射的小鼠的行为。


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对于实际实验，使用了两个盒子：黑暗的盒子和可见光和红外线范围（ 4C和4D ）中的辐射照明的盒子。 实验的第二个版本基于光刺激与所产生的恐惧感（ 4E和4F ）之间的关系。 现在，我们将详细介绍每个实验。

在第一个使用可见光点亮的暗盒和暗盒的测试中，鼠标自然更喜欢在黑暗中。 可见光被波长为980 nm的LED取代。 在这个版本中，可以说，注射纳米粒子的小鼠按照其先天的本能，继续选择暗盒而不是亮盒。 但是，对照组的小鼠（未注射）在两个盒子之间（黑暗的和980 nm的光）没有看到任何区别，因为它们实际上没有感知到红外辐射。

第二个实验与研究小鼠的更多故意行为有关。 在准备阶段，对两组小鼠进行了以下事实训练：在20秒内发出535 nm（可见光）的光之后，将发生两秒钟无关紧要的电击（ 4E ）。 为了应对这种刺激性，应遵循小鼠完全自然的反应- 麻木* 。

麻木反应* -在某些通常为猎物的动物中，有一种保护机制（可以说是最后的机会）。 如果掠夺者已经袭击了他们，他们可以“假装死了”（麻木），从而使攻击者感到困惑，并在适当的时机逃脱。


危险情况下（老鼠麻木，躲起来或摇动尾巴）老鼠如何反应。

在实际测试阶段，在535 nm和980 nm处都施加了光发射。 结果，注射pbUCNP的小鼠在两种类型的曝光中均表现出麻木的反应，因为他们预期会受到电击。 但是没有纳米颗粒的小鼠对红外辐射完全没有反应。 这表明他们在准备过程中没有察觉到它，因此无法将他们看不见的辐射与电击联系起来。 对照组小鼠仅对可见范围内的光有反应。 图4F显示了在对照组小鼠和注射小鼠中该测试结果的比较。

这些实际测试证实了pbUCNP小鼠能感知红外辐射这一事实，但从字面上最真实的意义来看，它们真的可以在该范围内看到吗？ 为了得到这个问题的答案，科学家进行了另一项测试-测量VEP，即 视觉诱发电位（ 5A ）。 为此，在老鼠大脑的视觉皮层的六个区域中安装了电极（在单眼区域中分别为1、2、3和5，在双眼区域中为6）。


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当眼睛暴露于可见光（535 nm）时，在所有小鼠（有和没有纳米颗粒）的皮层所有区域都观察到了反应，这是完全可以预期的（ 5B和5D ）。 但是在980 nm的光下，小鼠与以前的测试一样分为两组。 在注射小鼠的视觉皮层双眼区域（ 5C和5E ）中检测到VEP。 在对照组中未检测到VEP。 应当注意，VEP在双眼区的表现与注射部位（颞侧）一致。

这种“老鼠大惊小怪”还没有结束。 下一个测试再次是使用字母“ Y”（ 6A ）形式的水迷宫进行的更实际的测试，根据该测试，患有pbUCNP的小鼠应受到红外辐射的引导。


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在准备过程中，对小鼠进行了训练，以寻找隐藏的平台，该平台与通过迷宫的两条路线之一连接。 总共，科学家制作了5种具有不同视觉刺激和光辐射的测试版本。

在第一版本中，有光栅（ 6B ），其上的带的位置指示了移动的方向。 带有纳米粒子的小鼠成功地学会了区分条带的方向（垂直或水平），并在暴露于980 nm的光辐射下完美地看到了它们。 对照组按随机顺序选择平台，即由于无法在红外光谱（ 6C ）中看到而无法将它们彼此区分开。 在使用可见光的测试中（如训练期间），两组小鼠均成功完成了任务。

波数（空间频率）的测量表明，在注射的小鼠中，可见光的波数为0.31±0.04。 在对照组的小鼠中，该指标为0.35±0.02，也就是说，两组受试者之间没有特殊差异。 因此，将纳米颗粒引入视网膜不会影响小鼠感知可见光的方式。 对于具有pbUCNP的小鼠进行红外辐射，上述指标为0.14±0.06。 科学家将这种空间频率的下降归因于各向同性辐射和可见光从红外光激发的纳米颗粒（ 6D ）的散射。

在第二版测试中，科学家决定检查可见光范围内的辐射是否会干扰光子的红外辐射。 用可见（535 nm）和红外（980 nm）辐射的LED阵列制作两个板，它们彼此垂直。 当所有LED均熄灭时，两个板在可见光（ 6E ）的背景下看起来都是相同的。

在准备过程中，测试室内的照明（可见光，196 lux）和仅980 nm的LED被打开。 在实际测试期间，只有注射小鼠才能成功识别板块（ 6F ）。 这表明由于可见光的背景辐射，他们对红外辐射的感知没有任何恶化。 在仅打开535 nm LED的情况下，两组小鼠均显示出良好的效果，与预期的一样。

下一个测试是识别三角形和圆形（ 6G ）。 装有pbUCNP的小鼠在未打开试验箱（即黑暗（ 6H ））的情况下，成功地在可见光和红外光下分辨出了数字。 对照组只能从可见光中检测到数字。

在那之后，另一个变量被添加到任务中-背景光，但是像以前一样不可见，但是是红外线。 在背景红外辐射下，pbUCNP小鼠仍能成功地区分红外/可见光模式。

在最终测试中，科学家决定确定注射小鼠是否可以同时看到红外和可见光范围内的图形。 在此测试中，有一个带有平台的水迷宫，在其上同时描绘了一个圆形和一个三角形。 在准备过程中，只有可见光中的三角形处于活动状态。 但是在测试过程中，出现了随机顺序（6I）的三角形和圆形（980 nm）。 不出所料，pbUCNP小鼠的特征非常明显（6J）。 在两组试验小鼠中对该试验结果的验证证实，与对照组相比，注射小鼠并非偶然地选择了特定的平台。 因此，可以得出结论，注射pbUCNP可使小鼠同时看到红外和可见光范围内的物体。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我强烈建议您研究一下科学家的报告和其他补充材料 。

结语

这样的研究是纳米技术可以在非常不同的方向上应用的极好的证据。 当然，说它们的可能性是无限的还很早，但是每天我们都在获得越来越多的使用纳米技术的新方法。 在这种特殊情况下，使用纳米颗粒为小鼠提供红外视觉不仅是一项有趣的实验，而且还证实了生物系统中引入的改良剂的独特功能。 科学家们本身还没有准备就其开发在医学或任何其他领域中的应用发表高调的声明，但是他们将继续他们的研究，以改善上述纳米颗粒，并可能赋予它们新的特性。

不仅如此，由于技术不完善，而且许多公众人物已经提出了许多道德问题，因此人们很快就不会广泛使用增强来改善和改变自己的身体。 可以允许一个人改变自己的身体吗？ 允许扩大的边界在哪里？ 这将如何影响社会中的社会阶级分层？ ? , ( Deus Ex ). « » .


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