Люди и другие млекопитающие могут видеть свет в диапазоне длин волн, называемом видимым светом, который включает длины волн радуги. Но инфракрасное излучение с большей длиной волны окружает нас повсюду. Люди, животные и предметы излучают инфракрасный свет, поскольку они выделяют тепло, а предметы также могут отражать инфракрасный свет.
«Видимый свет, который может восприниматься естественным зрением человека, занимает лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра», – говорит старший автор Тянь Сюэ из Университета науки и технологий Китая. "Электромагнитные волны длиннее или короче видимого света несут много информации."
Многопрофильная группа ученых во главе с Сюэ и Цзинь Бао из Университета науки и технологий Китая, а также Ганг Ханом из Медицинской школы Массачусетского университета разработали нанотехнологии для работы с существующими структурами глаза.
«Когда свет попадает в глаз и попадает на сетчатку, палочки и колбочки – или фоторецепторные клетки – поглощают фотоны с длинами волн видимого света и посылают соответствующие электрические сигналы в мозг», – говорит Хан. "Поскольку инфракрасные волны слишком велики для поглощения фоторецепторами, мы не можем их воспринимать."
В этом исследовании ученые 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 излучают более короткие длины волн в диапазоне видимого света. Затем ближайший стержень или колбочка поглощает более короткую длину волны и посылает в мозг нормальный сигнал, как если бы видимый свет попал на сетчатку.
«В нашем эксперименте наночастицы поглощали инфракрасный свет с длиной волны около 980 нм и преобразовывали его в свет с пиком на 535 нм, в результате чего инфракрасный свет выглядел как зеленый цвет», – говорит Бао.
Исследователи протестировали наночастицы на мышах, которые, как и люди, не могут видеть инфракрасное излучение естественным образом. Мыши, которым вводили 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 воспринимать инфракрасный свет, исследователи поставили ряд задач в лабиринте, чтобы показать, что мыши могут видеть инфракрасный свет в условиях дневного света одновременно с видимым светом.
В редких случаях побочные эффекты от инъекций, такие как помутнение роговицы, возникали, но исчезали менее чем за неделю.
Это могло быть вызвано только процессом инъекции, потому что мыши, которым вводили только буферный раствор, имели одинаковую частоту этих побочных эффектов. Другие тесты не обнаружили повреждений структуры сетчатки после субретинальных инъекций.
«В нашем исследовании мы показали, что и палочки, и колбочки связывают эти наночастицы и активируются ближним инфракрасным светом», – говорит Сюэ. «Поэтому мы считаем, что эта технология также будет работать в человеческих глазах, не только для создания супервидения, но и для терапевтических решений при дефиците человеческого зрения в красном цвете."
Современная инфракрасная технология основана на детекторах и камерах, которые часто ограничены естественным дневным светом и нуждаются в внешних источниках питания. Исследователи считают, что биоинтегрированные наночастицы более желательны для потенциальных инфракрасных приложений в области гражданского шифрования, безопасности и военных операций. «В будущем мы думаем, что, возможно, появятся возможности для улучшения технологии с помощью новой версии наночастиц на органической основе, сделанных из соединений, одобренных FDA, которые, по-видимому, приведут к еще более яркому инфракрасному зрению», – говорит Хан.
Исследователи также считают, что можно проделать больше работы, чтобы точно настроить спектр излучения наночастиц в соответствии с человеческими глазами, которые используют больше колбочек, чем стержней для центрального зрения, по сравнению с глазами мыши. «Это захватывающая тема, потому что технология, которую мы сделали здесь возможной, в конечном итоге позволит людям заглянуть за пределы наших естественных способностей», – говорит Сюэ.