Исследователи из Научно-технического университета Китая придумали способ, позволяющий мышам видеть в инфракрасном свете. Для этого они прикрепили к фоторецепторам мышей наночастицы, переводящие сигнал из невидимого диапазона в видимый. Эксперименты показали, что такие мыши способны различать сложные формы в инфракрасном свете. Результаты работы опубликованы в журнале Cell.
Фоторецепторы человека, основанные на работе родопсинов, способны различать свет с длинами волн в районе 400–700 нанометров. Дело в том, что инфракрасное излучение имеет большую длину волны и меньшую энергию, которой не хватает для активации фоторецептора. Это обстоятельство лежит в основе невосприимчивости глаза человека и других животных к инфракрасному излучению. Чтобы его преодолеть, уже предпринимались попытки понизить энергию активации фоторецепторов, например при помощи нагревания, но в результате этого они начинали срабатывать самопроизвольно и это сильно зашумляло исходный сигнал.
Группа ученых под руководством Тянь Сюэ (Tian Xue) придумала альтернативное решение. За основу для мышиных «инфракрасных очков» были взяты давно известные частицы на основе эрбия и иттербия размером около 40 нанометров, которые могут поглощать лучи с длиной волн в районе 980 нанометров и испускать в ответ зеленый видимый свет с длиной волны около 535 нанометров. В основе их работы лежит способность собирать энергию нескольких инфракрасных фотонов и высвобождать ее в виде единственного, но более коротковолнового (а значит, имеющего большую энергию) фотона. Важным преимуществом этих частиц оказался низкий уровень генерируемого ими случайного шума. Механизм работы таких частиц наглядно продемонстрирован в видео ниже:
Для придания частицам гидрофильности исследователи покрыли их полиакриловой кислотой. Кроме того, к ним пришили молекулы конкавалина А, известного своей способностью связываться с внешним сегментом фоторецепторов млекопитающих. После инъекции в мышиный глаз наночастицы прикреплялись к рецепторам и начинали передавать сигнал с минимальными искажениями.
Побочных эффектов у этой процедуры оказалось не больше, чем в контрольной, где мышам вкалывали безвредный раствор; нарушений обычного зрения авторы тоже не обнаружили. Следующим этапом стала функциональная проверка проверка новой «суперспособности». Это было сделано на трех уровнях: ученые проверили реакцию глаза на инфракрасное излучение, активацию зрительной коры и поведенческие реакции.
Результаты тестов показали, что наночастицы позволяют животным не только реагировать на свет определенного спектра, но и видеть отдельные формы, например отличать продольные полоски от поперечных. Для того, чтобы это подтвердить, мышей помещали в воду и учили искать скрытую плавучую платформу, отмеченную так же, как и контрольное место без платформы, — рисунком на стенке бассейна. В первом тесте эти два рисунка отличались направлением инфракрасных полосок, а во втором мыши должны были выбрать между кругами и треугольниками, нарисованными как в видимом, так и невидимом диапазоне (количество испытуемых в контрольной и тестовой группах колебалось от пяти до семи). Контрольные мыши после обучения выплывали к нужному месту меньше чем в 50 процентах случаев благодаря случайности, тогда как мыши, которые могли видеть и правильно интерпретировать подсказки справлялись примерно в 80 процентах случаев.
Обнадеживающие результаты тестов позволяют предположить и о придании инфракрасного зрения человеку, но исследователи предупреждают, что этот процесс небезопасен: помимо временных проблем со зрением (у мышей всё пришло в норму за две недели) после укола и возможных осложнений эти наночастицы содержат тяжелые металлы. Лучшее подтверждение этому — слова самих авторов статьи о том, что они вообще не намерены испытывать технологию на себе.
Это не первая попытка подарить грызунам инфракрасное зрение. Ранее крыс с помощью имплантатов научили видеть в инфракрасном свете, передавая сигнал напрямую в мозг.