Мышей наделили способностью видеть тепло

Млекопитающие не видят свет с длиной волны больше 700 нм. Ограничение объясняется тем, что энергия фотонов более длинноволнового света меньше, их детекция требует более низкого энергетического барьера зрительного пигмента, а это привело бы к высокому уровню теплового шума.

Китайские ученые, работающие в Китае и США, создали систему, позволяющую преодолеть этот физиологический предел. Они использовали наночастицы, которые поглощают свет с длиной волны 950–1000 нм, после чего испускают свет в видимом диапазоне (максимум испускания — 535 нм; к зеленому цвету фоторецепторы млекопитающих чувствительнее, чем к синему). Чтобы сделать наночастицы водорастворимыми, их покрыли полиакриловой кислотой, после чего пришили белок конканавалин А (ConA), способный связываться с гликопротеинами фоторецепторов. Полученные наночастицы (photoreceptor-binding upconversion nanoparticles— pbUCNPs) вводили между слоем фоторецепторов и пигментным эпителием сетчатки. В результате наночастицы оказались связаны с наружными сегментами фоторецепторов: палочек и колбочек. Никаких долгосрочных побочных эффектов данная процедура не имела.

Чтобы проверить, видят ли pbUCNP-инъецированные мыши в инфракрасном диапазоне, была проведена серия экспериментов. Первым делом ученые проверили зрачковый рефлекс. Как и ожидалось, зрачок мышей с введенными pbUCNP сужался при освещении ИК-светом (980 нм), а зрачок контрольных мышей на такой свет не реагировал.

Следующим шагом стала проверка поведенческих реакций на ИК-свет. Животных помещали в коробку, одна половина которой освещались в ИК-диапазоне, а вторая была абсолютно темной. Известно, что мыши предпочитают находиться в темноте. И действительно, pbUCNP-инъецированные грызуны гораздо дольше оставались на темной половине, тогда как контрольные особи поровну делили свое время между половинами коробки. В другом эксперименте у мышей развили рефлекс замирания в ответ на вспышку света в видимом диапазоне, после которой их били током. При замене видимого света ИК-лучами рефлекс замирания демонстрировали только pbUCNP-инъецированные мыши. Следовательно, после инъекции животные стали воспринимать свет ближнего ИК-спектра.

Чтобы узнать, не пострадало ли при этом восприятие видимого света, ученые поместили шесть электродов на зрительную кору мозга. Паттерны возбуждения совпадали у pbUCNP-инъецированных и контрольных мышей при восприятии ими видимого света с длиной волны 535 нм, но различались при восприятии ИК-света. Из этого следует, что у pbUCNP-инъецированных особей обычное зрение не пострадало.

Оставалось убедиться, что мыши различают сложные объекты, излучающие ИК-свет. Для этого их помещали в Y-образный бассейн. В конце одного отсека под водой находилась платформа, сидеть на которой мышам гораздо комфортнее, чем плавать. Над обоими отсеками высвечивались в ИК-спектре различные паттерны — например, треугольник и круг, вертикальные полосы и горизонтальные. При этом, например, платформа всегда оказывалась в том отсеке, над которым светился треугольник. Как и предполагалось, только pbUCNP-инъецированные мыши научились определять, в какой отсек нужно плыть.

Таким образом, применение pbUCNP наночастиц позволяет расширить видимый диапазон, не ухудшая обычное зрение, и видеть одновременно в видимом и ближнем ИК-спектре. Основанные на этой системе технологии могут найти применение в военной промышленности, охранном бизнесе, а также в интерфейсах «человек — машина». Возможно, подобные методики помогут людям, теряющим зрение.