視覺系統(tǒng)神經元研究工具鼠助力探究視網膜的奧秘

俗話說眼睛是心靈的窗戶，有了它我們才得以捕捉世界的美好。眼睛的每個部分對于感知外界的變化都很重要，但對視覺形成最重要的部分是視網膜。

1. 視網膜的簡介
視網膜是由胚胎時期外胚葉形成的視杯發(fā)育而來，視杯外層形成單一的視網膜色素上皮層（retinal pigment epithelium, RPE），視杯內層則分化為視網膜神經感覺層（neurosensory retina），二者間由一潛在間隙，臨床上視網膜脫離即由此處分離。

視網膜由外向內共10層：
①視網膜色素上上皮層，由單層色素上皮構成；

②視錐、視桿層，由光感受器細胞的內、外節(jié)組成；

③外界膜，為一薄網狀膜，由鄰近的光感受器和Muller細胞的接合處形成；

④外核層，由光感受器細胞核組成；

⑤外叢狀層，為疏松的網狀結構，是視錐、視桿細胞的終球與雙極細胞樹突及水平細胞突起相連接的突觸部位；

⑥內核層，主要由雙極細胞、水平細胞、無長突細胞及Mülller細胞的細胞核組成；

⑦內叢狀層，主要是雙極細胞、無長突細胞與神經節(jié)細胞相互接觸形成突觸的部位；

⑧神經節(jié)細胞層，由神經節(jié) 細胞核組成;

⑨神經纖維層，由神經節(jié)細胞軸突即神經纖維構成；

⑩內界膜，為介于視網膜和玻璃體間的一層薄膜。
 

視覺信息在視網膜內形成視覺神經沖動主要以三級神經元傳遞，即光感受器(視桿和視錐細胞)-雙極細胞-神經節(jié)細胞。神經節(jié)細胞軸突即神經纖維沿視路將信息傳遞到外側膝狀體（第四級神經元），換元后再傳向視中樞形成視覺。

視網膜中的各類神經元都是視覺形成缺一不可的元件，本文將為您詳細介紹視網膜中主要的五類神經元：光感受器細胞、雙極細胞、無長突細胞、水平細胞以及神經節(jié)細胞。

2. 視網膜中各類神經元
2.1 光感受器細胞
光感受器細胞是視網膜上的第一級神經元，分視桿和視錐細胞兩種。哺乳動物視網膜中有兩到三種視錐細胞和一種視桿細胞。

視桿細胞感弱光（暗視覺）和無色視覺，在中心凹處缺乏，距中心凹0.13mm處開始出現并逐漸增多，在5mm只有視桿細胞最多，再向周邊逐漸減少。

視錐細胞感強光（明視覺）和色覺，約700萬個，主要集中在黃斑區(qū)。在中心凹處只有視錐細胞，此區(qū)神經元的傳遞又呈單線連接，故視力非常敏銳；而離開中心凹后視錐細胞密度顯著降低，所以在黃斑區(qū)病變時，視力下降明顯。

每個光感受器細胞外節(jié)內只有一種感光色素。視桿細胞外界所包含感光色素為視紫紅質（rhodopsin），對500nm波長的藍綠色光敏感。在暗處，視紫紅質的再合成，能提高視網膜對暗光的敏感性。

視錐細胞含3種色覺感光色素：視紫藍質（iodopsin）、視紫質、視青質，在光的作用下起色覺作用，所以色覺是眼在明亮處視錐細胞的功能。
 

圖2. 視網膜視桿和視錐細胞。
（A）視桿和視錐細胞的模式圖^[1]。
（B）視桿和視錐細胞在視網膜上的數量分布情況^[2]。

2.2 雙極細胞
雙極細胞是視網膜上的第二級神經元，其胞體位于內核層，軸突末梢在內叢狀層中與無長突細胞和神經節(jié)細胞相連。視覺所需的所有信息都是通過雙極細胞向視網膜內進行傳遞。
 

圖3. 哺乳動物視網膜中不同類型的雙極細胞^[3]。
 

雙極細胞可以大致分為兩類：視桿和視錐雙極細胞。前者主要與視桿細胞形成突觸連接，而后者主要與視錐細胞形成突觸連接。哺乳動物視網膜中至少有10種視錐雙極細胞以及1種視桿雙極細胞。

視網膜內叢狀層可被細分為5層，1、2層為OFF亞層，3~5層為ON亞層。根據雙極細胞軸突末端的形態(tài)及其在內叢狀層中的分布，其被劃分為ON型和OFF型。在光照增強時，ON型雙極細胞表現為去極化，而OFF型雙極細胞表現為超極化。

視錐雙極細胞既有ON型也有OFF型，分別與ON型和OFF型神經節(jié)細胞形成突觸傳遞視覺信號。AII無長突細胞與ON型視錐雙極細胞的軸突末端形成電突觸(縫隙連接)，與OFF視錐雙極細胞的軸突末端形成抑制性化學突觸，視覺信息將通過這些視錐雙極細胞傳遞到神經節(jié)細胞。

與視錐雙極細胞不同，所有的視桿雙極細胞均為ON型。視桿雙極細胞與AII無長突細胞形成突觸聯系，而不與神經節(jié)細胞直接相連。最近的研究表明，視桿信號還可以通過其他途徑傳播：視桿與視錐細胞之間的縫隙連接、視桿和某些視錐雙極細胞之間的谷氨酸能突觸，視桿信號在視網膜中的信息傳遞正引起人們的廣泛關注。
 

圖4. 哺乳動物視網膜視桿信號通路^[4]。

2.3 水平細胞
水平細胞是視網膜外叢狀層中橫向相互連接的神經元，這類細胞在視網膜中所占的比例很小，一般少于內核層細胞總數的5%。在人視網膜已發(fā)現三種水平細胞，HI、HII和HIII型。每個水平細胞都接受大量光感受器的輸入，光照光感受器引起水平細胞的反應為超極化。

水平細胞的另一特性是，不同類型的水平細胞存在縫隙連接，它們在整個外叢狀層形成了一個大的相互連接的細胞網絡。水平細胞向光感受器和雙極細胞釋放GABA，與之形成抑制性突觸連接。因此，黑暗中光感受器的去極化，能被水平細胞的抑制性輸入所拮抗�？傊�，從水平細胞至光感受器之間存在負反饋：光照→光感受器超極化→水平細胞超極化→光感受器去極化。

 

圖5. 水平細胞在視網膜內的連接^[2]。
（A）三種類型的水平細胞與光感受器的連接模式圖。
（B）視錐細胞的軸突終末與水平細胞和雙極細胞的樹突形成的突觸三聯體的電鏡圖。箭頭所指處可能是水平細胞與視錐細胞的反饋性突觸。

2.4 無長突細胞
無長突細胞的胞體位于內核層，大多數無長突細胞的突起是單層分布的，局限于內叢狀層中的某一層，而有些則橫跨雙層或三層分布。哺乳動物視網膜中有40多種不同類型的無長突細胞，劃分依據其突起大小、分支特征、在內叢狀層中的分布等等。

不同類型的無長突細胞所占的相對比例不同，但它們均介導或參與視網膜神經節(jié)細胞的各種不同類型的反應及感受野特性。其中的許多作用可謂之動態(tài)的或變化的，它們依賴于刺激強度的變化范圍、刺激相對于背景的運動或者圖案的空間不対稱性。比如：無長突細胞可對信號作早期處理，稱對比適應或對比增益控制，其可迅速影響神經節(jié)細胞的對比敏感度，從而使神經節(jié)細胞在經歷數秒內的光照強度變化時，就能作出一系列反應。

圖6. 視網膜部分無長突細胞的模式圖^[5]。

2.5 神經節(jié)細胞
神經節(jié)細胞是視網膜上的第三級神經元，并且是視網膜唯一的輸出神經元，它們通過軸突將視覺信息傳遞到更高的視覺中心。人類視網膜中有多達25種不同類型的神經節(jié)細胞，分類依據胞體大小、樹突野范圍、樹突分支模式(如放射狀或簇狀)以及樹突在內叢狀層中的分布。

在人類視網膜中，最常見的神經節(jié)細胞類型是傘狀神經節(jié)細胞（parasol ganglion cell，也稱P型細胞）和侏儒神經節(jié)細胞（midget ganglion cell，也稱M型細胞），前者投射到外側膝狀核的巨細胞層，后者投射到外側膝狀核的小細胞層。

侏儒神經節(jié)細胞有小的感受野、高的空間分辨率，對顏色敏感，提供高對比度刺激時精細的細節(jié)信息。傘狀神經節(jié)細胞型細胞具有廣泛的樹突分支，感受野較侏儒神經節(jié)細胞更大、對對比度的微小變化和運動更敏感。

 

圖7. ON型傘狀神經節(jié)細胞和ON型侏儒神經節(jié)細胞的形態(tài)和分層^[6]。

20世紀初，研究人員在哺乳動物視網膜中發(fā)現了一類特殊的神經節(jié)細胞，它們因含視黑素蛋白（melanopsin, 基因Opn4）而具有感光性，被稱為內在光敏性視網膜神經節(jié)細胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs），這一發(fā)現被Science評為2002年十大科技進展之一。

ipRGCs是視網膜中的第三類光感受器，占視網膜神經節(jié)細胞總數不到5%，依據其樹突的形態(tài)和分布特征可劃分為M1~M6型。相對經典的光感受器（視桿和視錐細胞）而言，ipRGCs的光敏性更低，對光的反應更慢且更持久，這些特征與其在潛意識的、非成像視覺中發(fā)揮的作用相匹配，如：瞳孔對光反應、晝夜節(jié)律等。近期，復旦大學楊雄里院士揭示了ipRGC在近視形成中的重要作用，借助Opn4-Cre小鼠首次闡明了ipRGC在眼球發(fā)育及近視形成中的重要作用，這一發(fā)現為未來近視干預治療策略提供了新思路。
 

圖8.內在光敏性神經節(jié)細胞^[7]。
（A）M1-M6型ipRGCs在內叢狀層的分布及視黑素蛋白的的表達水平。
（B）使用Opn4-Cre轉基因小鼠結合腺相關病毒等操縱ipRGC活性（頂部）或標記ipRGC的體細胞和軸突（底部）。

3. 視覺系統(tǒng)神經元研究工具鼠
基于現有的研究，南模生物在小鼠視網膜多種神經細胞的特定標記基因中敲入目標元件（Cre或CreERT2重組酶），對多類細胞進行定義、標記及區(qū)分，有助于研究者在特定視網膜神經細胞中進行精確的基因及細胞功能研究。各類視網膜神經細胞研究工具小鼠模型信息見下表：
 

4.視網膜疾病相關基因的研究模型
介于視網膜結構的復雜性，其功能受損會導致多種視網膜疾病。通過人類全基因組范圍內尋找與視網膜疾病相關的潛在致病基因，在小鼠同源基因上進行基因編輯，對探索視網膜疾病的致病機理有至關重要的意義。南模生物自主研發(fā)出一系列視網膜疾病相關基因的研究模型，詳見下表，如有需要歡迎前來咨詢。
 

*該數據來源于DisGeNET，代表這些基因在人類研究中被報道過與視網膜疾病有相關性，可用于基因在相應疾病中的功能研究，不代表該基因編輯小鼠必然有疾病表型。

南模生物深耕基因編輯領域，提供全方位模式生物服務，包括基因修飾成品模型供應、個性化模型定制、飼養(yǎng)繁育、表型分析、藥效評價等，滿足不同實驗室需求。

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