眼睛是人类和大多数哺乳类动物唯一的感光器官，光线穿过瞳孔经由晶状体聚焦到眼后部薄层组织视网膜上，视神经将光子的时空信息转换成电信号逐层映射到大脑的多个视觉处理区域形成视觉。（上图）
视网膜呈现分层结构，可分为五层，分别为核外层（outer nuclear layer,ONL）、外部从状层（outer plexiform layer,OPL）、内核层（inner nuclear layer,INL）、内部从状层（inner plexiform layer,IPL）和神经节细胞层（ganglion cell layer,GCL）。（上图）
视锥细胞（cone）视杆细胞（rod）是两种重要的感光细胞，它们可将光转换为电信号。视锥细胞集中于视网膜中央部的中央凹处，负责高敏锐度、明视觉和色觉。视杆细胞数量更多且对光子更为敏感，用于暗视觉。同时，人类的色觉依赖于检测三基色的三种视杆细胞：红色、绿色和蓝色。但是，以视网膜色素变性和黄斑变性为主的两种视网膜疾病会导致视网膜的光感受器视锥视杆细胞失去活性，失去高精度视觉和颜色辨识能力，这种损伤是不可逆的甚至会致盲。
1.1
我们如何能使失明患者重获视力呢？
市面上投入应用的视网膜假体基本上是通过摄像头或光电二极管阵列将光刺激转换为电信号。经过外接装置进行信号增幅转换等处理再通过视网膜上植入的刺激器直接刺激仍然具有正常功能的神经节，但这一方式也伴随着三种问题：1. 这一方式绕过残余的视网膜内双极细胞等加工系统，限制了重建视网膜的可能性。2. 由于前视网膜设备靠近经过的轴突神经纤维，可能无意刺激到轴突引起异位视觉感受，降低空间分辨率并混淆了预期的刺激模式。3. 依赖软硬件电子设备，生物相容性差伴有并发症。
为改善上述问题，复旦大学脑科学研究院和复旦大学先进材料实验室，选择构建了金纳米颗粒修饰的二氧化钛纳米阵列（Au-TiO2 阵列）作为人工光感受器（上图左）。纳米阵列植入视网膜下，多电极阵列插入初级视觉皮层以记录光反应（上图右）。其原理为，Au-TiO2 阵列吸收光并产生光电压，从而触发接口神经元中的尖峰活动并恢复光感受器退化视网膜中的光反应，直接刺激双极细胞而不影响视网膜回路的其余部分。
二氧化钛纳米线阵列通过水热法在掺氟氧化锡（FTO）涂层玻璃或聚二甲基硅氧烷（PDMS）基板上垂直生长。使用Au-TiO2 阵列材料的原因为，二氧化钛具有光催化活性和很高的化学稳定性几乎不和其他的物质反应，有着生物相容性好的特点，而Au-TiO2 阵列可以提高二氧化钛纳米阵列的光电转换效率，使得其可利用光谱拓展到可见光区。
通过手术，将纳米线阵列植入到盲小鼠视网膜下。五个月后观察到植入了阵列后视网膜的层级结构和神经节基本无影响，且在光刺激下，植入纳米阵列5个月后的盲小鼠在光的刺激下的激发频率和对照组野生小鼠近乎一致，且引发了局部电位，视力有一定的恢复，但还是不及野生型小鼠。视网膜下植入 Au-TiO2 阵列盲小鼠的空间分辨率及感受野大小与正常小鼠相当，说明视皮层的神经元恢复了光响应能力。
美中不足的是，植入纳米阵列的盲小鼠无法分辨出彩色和轮廓，但进一步开发具有不同光谱响应的多种纳米线类型可能是在不久的将来实现这种场景的潜在可行策略。
1.2
如果我们想要看到可见光波长以外的区域，我们应该怎么做？
人和其他哺乳动物只能看到可见光波长范围内的光，即390-770纳米之间。正常视力的人眼对波长约为555纳米的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。如果想要直接看到近红外光线，只有原始的肉眼肯定无法实现。非常容易想到的一种方法是使用而红外夜视镜，其原理是把红外线变成可是光，大部分红外夜视镜显示的为绿色画面。
但是我们仍然需要外部的辅助来做到这点，那有没有不需要夜视眼镜就能直接看到近红外光呢？
由中国科学技术大学与麻省大学医学院共同完成的一种眼注射用光感受器结合上转换纳米颗粒，成功使注射这种上转换纳米颗粒的小鼠获得了近红外光波长区域的视野，通过可注射和自供电的视网膜纳米天线实现哺乳动物近红外图像的视觉。（上图）
上转换指的是材料受到低能量的光激发，发射出高能量的光。上转换纳米材料由无机基质与稀土掺杂离子组成，掺杂离子又由发光中心与敏化剂组成，有发射峰窄，发光易调控，光学稳定性好且寿命长等优点。对于生物体来说，上转换纳米材料毒性低，对组织损伤小，且能激发近红外光得到可见光。
眼部可注射的光感受器结合上转换纳米颗粒(pbUCNPs)（上图）固定在视网膜光感受器上，作为微型近红外光传感器，产生近红外光成像视觉。pbUCNPs为水溶性，采用刀豆蛋白与聚丙烯酸涂层的UCNPs（paaUCNPs）结合，因为未结合刀豆蛋白的paaUCNPs十分松散，轻轻洗涤便可从光感受器上洗去。将上转换纳米颗粒（pbUCNPs）溶解在磷酸缓冲盐溶液（PBS）中，然后注射到小鼠眼中的视网膜下间隙，pbUCNPs会紧密的绑定到视杆细胞和视锥细胞的内在与外在段，形成一层内置的纳米天线，它们在近红外光照射下产生绿光。通过在视觉皮层的视网膜电图(ERGs)和视觉诱发电位(VEP)记录，也可以发现pbUCNPs注射小鼠的视网膜和视觉皮层都被近红外光激活。
另外，注射pbUCNPs的小鼠出现不良反应发生率不高，且即使出现短暂的副作用原因也是视网膜下注射的副作用。同时，即使注射50mg的pbUCNPs，视网膜层结构和光感受器层也没有改变，即没有明显的视网膜变性。故这种材料的安全性非常高。
这个发现将指导未来有关扩展人类和非人类视觉的研究，而不需要任何外部设备或基因操作，这对于治疗一些疾病的非基因层面会给予一些思路。赋予哺乳动物近红外视觉能力也可能为关键的民用和军事应用铺平道路，或许人类离永久的夜视力近在咫尺。
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