人类和其他哺乳动物是如何获得夜视能力的?

2018-10-03 14:03 网易科学人

  

  据国外媒体报道,在一个没有月光的夜晚,到达地球的光线比晴天时少万亿倍。然而,大多数哺乳动物的视力仍然很好,虽然他们都没有猫和其他夜行动物眼睛里特殊的增光膜,但依旧可以四处走动。一项在老鼠身上进行的新研究揭示了这种自然夜视能力的工作原理:视网膜上的运动传感神经细胞在黑暗条件下会暂时改变它们相互连接的方式。研究人员说,这些发现有一天可能会帮助视障人士。

  科学家已经对兔子、老鼠、人类和其他哺乳动物身上夜视原理有所了解。马里兰大学帕克分校神经科学家约书亚⋅辛格(Joshua Singer)虽然没有参与这项研究,但其指出,哺乳动物的视网膜可以对“小得可笑”的光子数量做出反应。单个光子可以激活视网膜中的一种光敏细胞,这种细胞通过神经节细胞向大脑发送微弱的电信号。

  而有一种神经节细胞则专门从事运动检测——如果你是一只被猫头鹰追捕的老鼠,或者是一个为了躲避迎面而来汽车而飞奔的人,这种功能就至关重要了。一些定向选择神经节细胞(DSGCs)只有在物体向上运动时才会被经法。其他细胞只在物体向下、向左或向右移动时兴奋。这些神经节细胞一起决定物体的方向,并将信息传递给大脑,然后大脑再决定如何行动。

  辛格说,定向选择神经节细胞是“大脑中为数不多几个神经科学家清楚神经元在做什么的地方之一”。但是当没有光线时,细胞会以令人惊讶的方式活动。

  为了发现定向选择神经节细胞是如何适应黑暗环境的,北卡罗来纳州达勒姆杜克大学神经科学家格雷格⋅菲尔德(Greg Field)和他的同事们将老鼠的视网膜切片放置在嵌入电极阵列的小玻璃板上。菲尔德说,每个阵列包含约500个电极,但其尺寸很小,只有半毫米宽。由于被侵润在含氧溶液中,老鼠的视网膜仍然可以起作用并“看到”物体,而阵列可以记录下数百个神经元的电活动。

  研究小组向解剖后的视网膜展示了一个简单的电影——乐队在对比鲜明的背景下移动——然后将光线调暗1万倍,从典型的办公室级灯光调暗到月光下的场景。菲尔德说,四种定向选择神经节细胞中有三种在灯光熄灭时对运动的响应“一如既往的稳定”。但是第四种类型通常只会对向上的运动有反应,现在对更广泛的运动有反应,其中包括向下和横向运动。

  菲尔德和他的同事随后分析了为什么“向上”细胞的行为异常。通过对所有四个方向细胞活动的计算机模型进行分析,他们得出结论,当“向上”细胞牺牲了对一个方向的某些偏好时,他们提高了整个神经节细胞群体的性能,增强了向选择神经节细胞在弱光下检测运动的能力。

  为了找出“向上细胞”是如何改变它们功能的,科学家们通过基因工程改造一些实验老鼠,这些小鼠的上感觉神经元缺乏细胞内连接,也就是所谓的间隙连接。这种蛋白质通道允许化学信号从一个神经元传递到另一个神经元,此前曾被认为与夜视有关。菲尔德的团队发现,在没有间隙连接的老鼠视网膜组织中,向上感应细胞无法适应黑暗。研究人员指出,这意味着至少一部分“向上”细胞在弱光下增强运动检测的能力取决于间隙连接。

  目前尚不清楚这种研究结果是否也适用于人类,但关于啮齿动物视觉细胞的研究可能仍然适用于人工视觉。尽管定向选择神经节细胞仅占人类神经节细胞的4%,而小鼠的这一比例约为20%,但许多视障人士的新型视网膜修复术在很大程度上依赖于电刺激神经节细胞。菲尔德说,这样的研究可以帮助微调这些技术。“如果你想刺激神经节细胞,你需要让它们向大脑发送正确的信号。”

责编:陶宗瑶
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