研究人员发现，视网膜采用了一种意想不到的通讯网络，使独立的视觉通路能够协同运作，而非单独工作。一种新鉴定的“指挥官”细胞似乎在协调该系统，帮助眼睛检测到原本可能被忽略的微弱细节。
我们的视觉系统快速分析场景的许多不同特征，包括颜色、对比度、运动和形状。这一过程被称为并行视觉处理，它通过沿独立路径发送不同类型的信息，使大脑能够几乎瞬间解读复杂的图像。
研究人员长期以来一直认为，当视觉信号通过视网膜传入大脑时，这些路径在很大程度上保持独立。然而，这项发表在《神经元》（Neuron）上的新研究发现，这些通道通过隐藏的电连接紧密联系在一起。据研究团队称，这种合作可能会在微弱的视觉信号进入视觉系统更深处之前对其进行增强。
“我们发现，虽然不同的通道可以传递各自的特征，但它们也通过潜在的电路相互连接，”耶鲁医学院（YSM）眼科与视觉科学系博士后研究员、该研究的第一作者薛尧（Yao Xue）博士说。
双极细胞形成意想不到的通信网络
视觉始于视网膜中的视杆细胞和视锥细胞检测到光线。这些特化细胞将信息传递给被称为双极细胞的神经元。在这个阶段，视觉信息被分类进入十多个并行通道，这些通道处理诸如昼光、夜间视觉、颜色、对比度和形状等特征。
当研究人员仔细观察突触（即双极细胞进行通信的微小连接点）时，他们发现了一些意想不到的情况。那些原本被认为相互独立的通道并没有保持隔离状态，而是在彼此共享信息。
神经元通过两种主要类型的突触进行通信：化学突触和电突触。化学突触利用神经递质在细胞间传递信息，而电突触（也称为缝隙连接）则通过直接的电流传输信号。人们通常认为双极细胞主要依赖化学通信。
这项新研究发现，在小鼠和人类视网膜中，电突触连接了大部分这些独立的信息通道。当团队对单个双极细胞进行电刺激时，反应扩散到了该路径之外。他们没有看到神经递质的释放局限于一个通道，而是观察到了广泛的、云状的活动模式，揭示了不同双极细胞类型之间存在广泛的通信。
“当我们刺激一个双极细胞时，许多双极细胞都释放了神经递质，”眼科与视觉科学Marvin L. Sears教授、首席研究员Z. Jimmy Zhou博士说。
研究人员还鉴定了一种被称为BC6的双极细胞类型，它似乎在协调该网络中发挥着主导作用。源自BC6的信号以有组织的、分层模式通过多条视觉路径传播。
“人们过去假设不同类型的双极细胞或多或少是自主的，”Zhou说。“但我们在所有这些细胞类型中发现了一个驱动者，它创建了这个具有层次结构的网络。”
科学家们表示，这种特化路径与电通信的结合为视网膜提供了两全其美的方案。独立的通道可以专注于特定的视觉特征，而它们之间的连接则允许在信号特别微弱时共享信息。
“如果信号已经非常微弱，并且被分成了几个通道，那么每个通道能处理的信号就所剩无几了，”耶鲁医学院眼科与视觉科学系研究科学家、该研究共同通讯作者Seunghoon Lee博士说。“这种整合对于检测低对比度信号或来自极小物体的信号特别有用。”
“而且细胞并不是以随机的方式合作的，”薛尧补充道。“它们内部有一个指挥官——BC6——带领它们将信号传递给下游目标。”
在完整的视网膜中记录信号
为了绘制这些通信网络，团队结合了几种实验技术。他们利用先进的成像技术监测双极细胞如何释放神经递质并对神经递质做出反应，同时刺激单个细胞并记录邻近细胞的反应。
研究双极细胞长期以来一直很困难，因为它们位于视网膜深处。早期的实验通常需要将视网膜切成切片才能接触到它们，这一过程可能会破坏研究人员想要检查的自然回路。
在这项研究中，耶鲁团队成功地在完全完整的小鼠视网膜上使用了双膜片钳技术。他们利用电极刺激特定的双极细胞类型，同时记录邻近细胞的反应。
“世界上没有其他实验室能够系统地完成这类记录，”Zhou说。“这是薛尧博士论文工作的杰作，将创新方法与卓越的电生理技能结合在了一起。”
随后，研究人员利用通过病理学系遗产组织捐赠计划获得的完整人类视网膜重复了这些实验。据团队称，这是在完整的人类视网膜上进行的首次此类实验。
这一发现可能意味着什么
研究人员表示，由于视网膜是中枢神经系统的一部分，这些发现可能具有超越视觉领域的影响。了解视网膜回路如何处理信息，可以为大脑中其他神经网络如何运作提供新的见解。
这项工作还可以增进科学家对损害视网膜疾病的理解，包括黄斑变性、青光眼和先天性夜盲症。
研究人员还表示，这项研究凸显了好奇心驱动型科学的价值。实验并没有验证单一的预设观点，而是揭示了一种此前未知的机制，改变了科学家对视觉处理的看法。
“我们的实验并非始于一个特定的假设，而是揭示了视觉系统中的一种基本处理机制，”Lee说。“这有力地提醒了我们，好奇心驱动的研究对于发现是多么重要。”