Глаз киборга: инъекция наночастиц в сетчатку превращает зрительный орган в тепловизор⁠⁠

Фоторецепторы колбочек сетчатки глаза чувствительны к красно-оранжевому, зеленому и синему частям спектра: комбинации их возбуждений дают всю гамму цветовых оттенков

Спектр электромагнитных волн, который воспринимает человеческий глаз, относительно невелик, – примерно 400–700 нм. Нам недоступно ни ультрафиолетовое излучение более коротковолновой области, ни длинноволновое инфракрасное, испускаемое телами с температурой выше абсолютного нуля. Однако недавняя китайско-американская разработка позволит частично восполнить это эволюционное упущение, расширив диапазон видимого спектра до ближнего инфракрасного

Первое звено в цепочке событий, благодаря которым мы видим окружающий мир, – падение света на сетчатку глаза, где расположены палочки и колбочки, светочувствительные клетки-фоторецепторы. Палочки, содержащие фотопигмент родопсин, позволяют различать черное и белое и отвечают за ночное зрение. Каждая из колбочек, отвечающих за цветное зрение, содержит один из трех вариантов фотопигмента йодопсина, чувствительных к красно-оранжевому, зеленому или синему свету.

Под действием фотонов в светочувствительной клетке запускаются фотохимические реакции: энергия света превращается в нервный импульс, который и «доносит» об увиденном в зрительный центр головного мозга. Но при этом наши фотопигменты не могут воспринимать как слишком высокоэнергетичные фотоны ультрафиолетового спектра, как и слишком низкоэнергетичные инфракрасного.

Попытки расширить воспринимаемый глазом диапазон длин волн предпринимались и ранее. К примеру, лабораторным крысам помещали на голову датчик инфракрасного излучения, который соединяли с соматосенсорной зоной (центром осязания) коры головного мозга животных. Сейчас ученые из Китайского университета науки и технологий и Школы медицины Массачусетского университета (США) разработали более физиологичный способ увидеть инфракрасное излучение с помощью инъекции в глаза особых наночастиц.

В работе были использованы наночастицы на основе эрбия и иттербия, способные преобразовывать инфракрасный свет в видимый, поглощая фотоны на одной длине волны и излучая на другой (в данном случае – в зеленом спектре, к которому рецепторы глаза млекопитающих наиболее чувствительны). Наночастицы модифицировали – покрыли молекулами белка, который может связывается со специфическими молекулами на мембранах фоторецепторов палочек и колбочек. Затем их ввели под сетчатку лабораторных мышей, а контрольной группе сделали инъекцию буферного раствора.

Как выяснилось, введенные наночастицы прочно связались с фоторецепторами светочувствительных клеток, а побочные эффекты были обычными для такой процедуры. В отличие от контрольной группы, у подопытных животных под действием инфракрасного излучения сужались зрачки, определялись фототоки в сетчатке, активировалась зрительная кора головного мозга.

Мыши вели себя по-разному и в поведенческих тестах. Например, когда им предлагали на выбор обычное темное помещение и с инфракрасной «подсветкой», то контрольные животные не делали между ними различий, а экспериментальные явно предпочитали темное помещение.

Затем испытуемым предложили настоящее интеллектуальное упражнение, чтобы определить, насколько хорошо они видят в инфракрасном свете. Животных запускали в сложный водный лабиринт, правильный выход из которого был помечен треугольником, а неправильный – кругом. Сначала эти значки подсвечивали видимым светом, и все мыши обучились плыть к треугольнику даже тогда, когда расположение меток менялось. Однако при замене видимой подсветки на инфракрасную контрольные мыши сразу терялись, а мыши «с наночастицами» уверенно находили выход.

Итак, применение нанотехнологии оказалось очень успешным, несмотря на то, что видимый свет несет больше энергии, чем инфракрасный, и наночастицам требуется поглотить несколько инфракрасных фотонов, прежде чем испустить один фотон видимого спектра. По мнению разработчиков, эта технология вполне применима к людям, особенно тех профессий, в которых без инфракрасного зрения трудно обойтись. Ведь хотя сегодня и созданы специальные приборы – тепловизоры, ими не всегда удобно пользоваться.

Но, наверное, еще большую роль эта технология может играть при оказании помощи людям, теряющим зрение, в том числе из-за гибели фоторецепторов в результате возрастных офтальмологических заболеваний.

Фото: https://commons.wikimedia.org