沈阳医学论文发表-视网膜方向选择性演变的新转折

在哺乳动物中，星爆无长突细胞主要参与运动视觉，Yan及其同事在PLOS Biology上的一项新研究发现斑马鱼也有它们。它们与第二对类似星爆的神经元共存，但似乎都没有强烈的运动选择性。

数字

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引文： Yoshimatsu T， Baden T （2024） 视网膜方向选择性演变的新转折。PLoS 生物学 22（2）： 编号：E3002538。 https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002538

发表： 2月 29， 2024

版权所有： ? 2024 Yoshimatsu， Baden。这是一篇根据知识共享署名许可条款分发的开放获取文章，该许可允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，前提是注明原作者和来源。

资金： 作者没有为这项工作获得任何具体资金。

利益争夺： 提交人声明不存在相互竞争的利益。

脊椎动物视网膜的进化起源可以追溯到5亿多年前，当时第一批准脊椎动物放弃了以前静止的生活方式，进入了开阔水域[1,2]。我们的早期祖先必须迅速获得在水中稳定、导航以及探测捕食者和猎物的能力——所有这些要求都以某种方式取决于对视觉运动的检测。因此，似乎可以合理地推测运动回路是脊椎动物眼睛的祖先特征。

事实上，所有有视力的现存脊椎动物的眼睛都有一个共同的视网膜回路蓝图：五类神经元，排列在 3 个核层中，两侧是 2 个突触层。一个多世纪以来，这一点已经很清楚了[3]。然而，除了哺乳动物之外，不同物种的每个视网膜层内的微电路在很大程度上仍然未知，使我们几乎看不到我们最有价值的感官的大部分进化历史。位于小鼠或人类各个视网膜层中的部分甚至大部分神经元和回路是否与鸟、青蛙或鱼眼中的神经元和回路相同？如果是这样，这种“正交同源电路”是否执行正交任务？

Yan及其同事[4]的一项新研究为这个令人惊讶的未被充分探索的世界提供了重要的新曙光：斑马鱼中存在星爆无长突细胞，是哺乳动物视网膜回路中参与检测定向运动[5]的组成部分！

我们从哺乳动物中知道的星爆细胞（图1A）[6]同样神秘而奇怪。由于没有轴突，它们像煎饼一样扁平，树突从中央体体向外辐射，就像一颗爆炸的恒星（因此得名）。它们也是双递质神经元，释放GABA和乙酰胆碱。虽然前者对运动回路至关重要，但星爆细胞传统上是根据其胆碱能特征来定义的：许多无长突细胞释放GABA，但在哺乳动物中，只有星爆细胞释放乙酰胆碱。大多数（如果不是全部）哺乳动物视网膜显示 2 个“ChAT 带”（图 1A，顶部）：对胆碱乙酰转移酶 （ChAT） 具有免疫反应性的视网膜内层。这些 ChAT 带与 2 种哺乳动物星爆细胞（“关”和“开”）的树突 1：1 对应，从电路的角度来看，这 2 条带代表方向选择性电路的中心位点[7]，从视网膜双极细胞的突触前输入开始，到将提取的运动信号传递到大脑的方向选择性视网膜神经节细胞的树突状过程结束。相应地，ChAT带及其相关回路一直是旨在了解眼睛如何处理运动的努力的中心焦点，今天它们代表了脊椎动物大脑中最容易理解的复杂回路。

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图 1. 小鼠和斑马鱼的胆碱能无长突细胞。

(A）兔子内视网膜的横截面图，标有胆碱能条带和星爆细胞的解剖结构（上图）和单个兔星爆细胞的正面示意图（根据[5]重新绘制）。（B）如（A），但对于幼虫斑马鱼（根据[4]重新绘制），显示出它们更紧凑的星爆细胞以及新发现的bhlhe22神经元：一对明显更大的，放射状组织的胆碱能无长突细胞，似乎在哺乳动物中不存在。比例尺以绝对大小和视角给出：在斑马鱼幼虫直径为<0.3毫米的眼睛中，已经很小的树突覆盖了视觉空间中的大片区域。树突上的“斑点”表示假定的突触布顿。

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002538.g001

那么，斑马鱼呢？首先，斑马鱼的眼睛中存在真正的星爆细胞[4]（图1B）强烈表明这些细胞是古老的：至少在4亿年前，斑马鱼的射线鳍祖先从早期的叶鳍鱼中分裂出来，最终产生了所有四足动物，包括哺乳动物以及所有两栖动物、鸟类和爬行动物[1].相应地，这也意味着可能所有这些其他四足动物都有星爆细胞，如果没有，那就意味着这些细胞已经丢失，而不是它们从未存在过。长期以来，人们一直怀疑大多数脊椎动物的眼睛中存在星爆细胞，毕竟脊椎动物的视网膜一直存在ChAT[8,9]。然而，目前尚不清楚这些胆碱能带是否与星爆细胞相对应。此外，虽然大多数哺乳动物有 2 条带，但非哺乳动物通常有更多：从鱼类到鸟类，常见的是 3 条甚至 4 条 ChAT 条带。因此，我们是否期望他们的眼睛中有多达 4 种类型的星爆细胞？

这是新工作的下一个主要见解。不，斑马鱼眼中仍然有同样熟悉的 2 种星爆细胞。然而，位于星爆细胞之间的第二对胆碱能神经元对应于一种新型的无长突细胞，称为“bhlhe22”（图1B，顶部）。这些额外的细胞不仅是双GABA/乙酰胆碱神经元，而且它们还类似于“星爆解剖结构”的关键方面（图1B，底部）。如果有的话，与原版相比，它们看起来更像一颗爆炸的星星。中间有一个体细胞，大约有20到30个不分枝且完全笔直的树突向外辐射，每个树突的末端都有一个小斑点——大概是一个突触。哺乳动物星爆树突更弯曲，更分枝（图1A，底部）。

在哺乳动物中，星爆细胞的径向组织是其功能的基础。每个枝晶都沿着自己的方向选择方向，这是通过利用树枝突输入输出组织的动力学和电子差异的机制实现的[5,7]。这种以树突为导向的选择性的结果是，突触后回路“简单地”只抓住沿“正确”方向移动的树突，为任何轴构建方向选择性回路[10]。观察斑马鱼星爆直系同源物（图1B，左下角），目前尚不清楚相同的计算如何工作。在斑马鱼幼虫的小眼睛中，星爆细胞是紧凑的，虽然它们的径向组织并没有完全消失，但这也许也不是它们最明显的特征。尽管斑马鱼幼虫的星爆细胞具有微型树突，但它们最终覆盖了大约15°的视觉空间，是大多数哺乳动物眼睛中星爆细胞所俯视的角度的3倍以上[11]。鱼星爆细胞树突的功能测量可能暗示了某种方向选择性，但与哺乳动物中发现的强选择性相比[5]，鱼类版本似乎不那么令人印象深刻。来自 bhlhe22 细胞的树突状信号也显示出定向响应，但选择性较弱。虽然这些结果仍然有可能用技术局限性来解释，但它也可能只是简单地意味着它在锡上所说的：视网膜方向选择性，至少在斑马鱼中，主要不是来自星爆细胞，甚至不是来自胆碱能回路。推而广之，这也意味着这些电路的径向组织最初是响应选择压力而进化的，而不是与实现运动视觉的需要相关的压力。

星爆细胞是部分胆碱能的事实通常令人困惑。与点对点的GABA能信号不同，胆碱能信号被认为更弥散，这似乎不适合传达有关局部运动方向的信息（但参见[12]）：来自不同取向树突的信号应该混合，从而失去选择性。那么为什么要坚持乙酰胆碱信号呢？在这里，也许斑马鱼的胆碱能神经元最终会引导我们找到一个令人满意的答案。也许斑马鱼星爆和/或bhlhe22细胞保留了祖先胆碱能功能。此外，斑马鱼胆碱能回路中假定的缺乏强烈的定向选择性反应也暗示，在他们眼中，存在独特的、可能更祖先的机制。

退一步说，我们目前正处于神经回路进化领域的巨大机遇时期，特别是使用脊椎动物视网膜的古老回路作为游乐场。就在几个月前，人们才了解到，在哺乳动物中，甚至在哺乳动物之外，大多数视网膜神经元可以在所有现存物种中进行分子连接[13]。无颌七鳃鳗是进化上最遥远的现存脊椎动物的代表，已经具有许多通常可疑的神经元的转录组学特征，特别是包括胆碱能无长突细胞的2个而不是4个转录组学特征[9]！最近的另一份预印本[14]报道了哺乳动物视杆双极细胞的斑马鱼直系同源物，以及它们的相关电路，它们共同支撑了我们自己的夜视觉。与目前对斑马鱼胆碱能无长突细胞的新研究结果相呼应[4]，同样有两种类型。“哺乳动物”，以及哺乳动物中没有的另一个版本。了解这些类型的“额外”神经元对鱼的眼睛有什么贡献，或者为什么它们在哺乳动物的眼睛中似乎不存在，这将是未来探索的有趣之处。

引用

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