視覺系統(tǒng)神經(jīng)元研究工具鼠助力探究視網(wǎng)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(wǎng)膜。

1. 視網(wǎng)膜的簡介
視網(wǎng)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(wǎng)膜色素上皮層（retinal pigment epithelium, RPE），視杯內(nèi)層則分化為視網(wǎng)膜神經(jīng)感覺層（neurosensory retina），二者間由一潛在間隙，臨床上視網(wǎng)膜脫離即由此處分離。

視網(wǎng)膜由外向內(nèi)共10層：
①視網(wǎng)膜色素上上皮層，由單層色素上皮構(gòu)成；

②視錐、視桿層，由光感受器細(xì)胞的內(nèi)、外節(jié)組成；

③外界膜，為一薄網(wǎng)狀膜，由鄰近的光感受器和Muller細(xì)胞的接合處形成；

④外核層，由光感受器細(xì)胞核組成；

⑤外叢狀層，為疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是視錐、視桿細(xì)胞的終球與雙極細(xì)胞樹突及水平細(xì)胞突起相連接的突觸部位；

⑥內(nèi)核層，主要由雙極細(xì)胞、水平細(xì)胞、無長突細(xì)胞及Mülller細(xì)胞的細(xì)胞核組成；

⑦內(nèi)叢狀層，主要是雙極細(xì)胞、無長突細(xì)胞與神經(jīng)節(jié)細(xì)胞相互接觸形成突觸的部位；

⑧神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層，由神經(jīng)節(jié) 細(xì)胞核組成;

⑨神經(jīng)纖維層，由神經(jīng)節(jié)細(xì)胞軸突即神經(jīng)纖維構(gòu)成；

⑩內(nèi)界膜，為介于視網(wǎng)膜和玻璃體間的一層薄膜。
 

視覺信息在視網(wǎng)膜內(nèi)形成視覺神經(jīng)沖動主要以三級神經(jīng)元傳遞，即光感受器(視桿和視錐細(xì)胞)-雙極細(xì)胞-神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。神經(jīng)節(jié)細(xì)胞軸突即神經(jīng)纖維沿視路將信息傳遞到外側(cè)膝狀體（第四級神經(jīng)元），換元后再傳向視中樞形成視覺。

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

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

視桿細(xì)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(xiàn)并逐漸增多，在5mm只有視桿細(xì)胞最多，再向周邊逐漸減少。

視錐細(xì)胞感強(qiáng)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(xì)胞，此區(qū)神經(jīng)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(xì)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(xì)胞外節(jié)內(nèi)只有一種感光色素。視桿細(xì)胞外界所包含感光色素為視紫紅質(zhì)（rhodopsin），對500nm波長的藍(lán)綠色光敏感。在暗處，視紫紅質(zhì)的再合成，能提高視網(wǎng)膜對暗光的敏感性。

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

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

2.2 雙極細(xì)胞
雙極細(xì)胞是視網(wǎng)膜上的第二級神經(jīng)元，其胞體位于內(nèi)核層，軸突末梢在內(nèi)叢狀層中與無長突細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞相連。視覺所需的所有信息都是通過雙極細(xì)胞向視網(wǎng)膜內(nèi)進(jìn)行傳遞。
 

圖3. 哺乳動物視網(wǎng)膜中不同類型的雙極細(xì)胞^[3]。
 

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

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

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

與視錐雙極細(xì)胞不同，所有的視桿雙極細(xì)胞均為ON型。視桿雙極細(xì)胞與AII無長突細(xì)胞形成突觸聯(lián)系，而不與神經(jīng)節(jié)細(xì)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(xì)胞之間的縫隙連接、視桿和某些視錐雙極細(xì)胞之間的谷氨酸能突觸，視桿信號在視網(wǎng)膜中的信息傳遞正引起人們的廣泛關(guān)注。
 

圖4. 哺乳動物視網(wǎng)膜視桿信號通路^[4]。

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

水平細(xì)胞的另一特性是，不同類型的水平細(xì)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(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。水平細(xì)胞向光感受器和雙極細(xì)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(xì)胞的抑制性輸入所拮抗�？傊�，從水平細(xì)胞至光感受器之間存在負(fù)反饋：光照→光感受器超極化→水平細(xì)胞超極化→光感受器去極化。

 

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

2.4 無長突細(xì)胞
無長突細(xì)胞的胞體位于內(nèi)核層，大多數(shù)無長突細(xì)胞的突起是單層分布的，局限于內(nèi)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(wǎng)膜中有40多種不同類型的無長突細(xì)胞，劃分依據(jù)其突起大小、分支特征、在內(nèi)叢狀層中的分布等等。

不同類型的無長突細(xì)胞所占的相對比例不同，但它們均介導(dǎo)或參與視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的各種不同類型的反應(yīng)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(qiáng)度的變化范圍、刺激相對于背景的運(yùn)動或者圖案的空間不対稱性。比如：無長突細(xì)胞可對信號作早期處理，稱對比適應(yīng)或?qū)Ρ仍鲆婵刂�，其可迅速影響神�?jīng)節(jié)細(xì)胞的對比敏感度，從而使神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在經(jīng)歷數(shù)秒內(nèi)的光照強(qiáng)度變化時，就能作出一系列反應(yīng)。

圖6. 視網(wǎng)膜部分無長突細(xì)胞的模式圖^[5]。

2.5 神經(jīng)節(jié)細(xì)胞
神經(jīng)節(jié)細(xì)胞是視網(wǎng)膜上的第三級神經(jīng)元，并且是視網(wǎng)膜唯一的輸出神經(jīng)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(wǎng)膜中有多達(dá)25種不同類型的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，分類依據(jù)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(nèi)叢狀層中的分布。

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

侏儒神經(jīng)節(jié)細(xì)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(xì)的細(xì)節(jié)信息。傘狀神經(jīng)節(jié)細(xì)胞型細(xì)胞具有廣泛的樹突分支，感受野較侏儒神經(jīng)節(jié)細(xì)胞更大、對對比度的微小變化和運(yùn)動更敏感。

 

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

20世紀(jì)初，研究人員在哺乳動物視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)了一類特殊的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，它們因含視黑素蛋白（melanopsin, 基因Opn4）而具有感光性，被稱為內(nèi)在光敏性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs），這一發(fā)現(xiàn)被Science評為2002年十大科技進(jìn)展之一。

ipRGCs是視網(wǎng)膜中的第三類光感受器，占視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞總數(shù)不到5%，依據(jù)其樹突的形態(tài)和分布特征可劃分為M1~M6型。相對經(jīng)典的光感受器（視桿和視錐細(xì)胞）而言，ipRGCs的光敏性更低，對光的反應(yīng)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(yīng)、晝夜節(jié)律等。近期，復(fù)旦大學(xué)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(xiàn)為未來近視干預(yù)治療策略提供了新思路。
 

圖8.內(nèi)在光敏性神經(jīng)節(jié)細(xì)胞^[7]。
（A）M1-M6型ipRGCs在內(nèi)叢狀層的分布及視黑素蛋白的的表達(dá)水平。
（B）使用Opn4-Cre轉(zhuǎn)基因小鼠結(jié)合腺相關(guān)病毒等操縱ipRGC活性（頂部）或標(biāo)記ipRGC的體細(xì)胞和軸突（底部）。

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

4.視網(wǎng)膜疾病相關(guān)基因的研究模型
介于視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其功能受損會導(dǎo)致多種視網(wǎng)膜疾病。通過人類全基因組范圍內(nèi)尋找與視網(wǎng)膜疾病相關(guān)的潛在致病基因，在小鼠同源基因上進(jìn)行基因編輯，對探索視網(wǎng)膜疾病的致病機(jī)理有至關(guān)重要的意義。南模生物自主研發(fā)出一系列視網(wǎng)膜疾病相關(guān)基因的研究模型，詳見下表，如有需要?dú)g迎前來咨詢。
 

*該數(shù)據(jù)來源于DisGeNET，代表這些基因在人類研究中被報道過與視網(wǎng)膜疾病有相關(guān)性，可用于基因在相應(yīng)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(lǐng)域，提供全方位模式生物服務(wù)，包括基因修飾成品模型供應(yīng)、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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