Cell Rep：成像和非成像视觉的调控机制
近日，来自美国NIH的Corinne Beier团队在Cell Reports上发表文章“Divergent outer retinal circuits drive image and nonimage visual behaviors”。Beier等人在该研究中表明光信号在视觉系统的第一突触发散以控制主要的视觉功能：成像和非成像视觉行为，例如昼夜节律光反应和瞳孔收缩。与成像视觉形成一样，非成像视觉依赖于昏暗光线条件下最敏感的视网膜电路。
要点：
OFF通路驱动成像视觉，但不驱动非成像视觉；
非成像视觉需要最敏感的视网膜通路；
一级视杆通路是瞳孔光反应的必要充分条件；
一级和二级视杆通路驱动明视瞳孔光响应。
成像和非成像视觉对动物行为是非常重要的。在该文中，作者用转基因小鼠研究了驱动成像和非成像视觉的视网膜电路。描述了在瞳孔光响应和昼夜节律光反应这两种非成像视觉中外部视网膜环路的功能。
作者发现OFF通路驱动成像视觉，但不能驱动昼夜节律光反应或PLR（pupillary light response，PLR，瞳孔光响应）。视锥光响应驱动成像，但无法驱动PLR。在明视时，视杆细胞使用一级和二级视杆通路驱动PLR，而在暗视和中视水平，视杆细胞则使用一级通路驱动PLR，无需二级通路。
ON通路在广泛的光强度范围内可驱动两种非成像行为，而OFF通路可能仅限于成像。光刺激可以驱动成像视觉但是不能驱动瞳孔光响应。在适应光源后视杆细胞利用一级和二级视杆细胞通路驱动瞳孔对光反射，在暗视力以及中间视力水平，视杆细胞利用一级通路驱动瞳孔对光反射，此时二级通路也不是必要的。环路的动态改变使得视杆细胞能够通过对光源的反应来控制驱动非图像视觉和图像视觉行为。而OFF通路是潜在的只参与图像形成视觉。
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在哺乳动物视网膜中，存在三种类型的光感受器，即外层视网膜光感受器、视杆细胞和视锥细胞，以及固有光敏性视网膜神经节细胞(ipRGC)。既往的研究表明，外层视网膜感光器和ipRGC有助于非成像行为，例如瞳孔光反应(PLR)和昼夜节律光反应。视杆通路对瞳孔收缩和昼夜节律光反应的贡献仍然存在争议。最近的研究表明，视杆是PLR和昼夜节律光反应的主要驱动因素。视网膜外回路传送是视杆和视锥信号以驱动非成像行为仍未探索。
成像视觉，有两个平行路径ON和OFF，它们分别响应光的开始和偏移。这种信号的分裂始于视网膜中的第一个突触，视锥细胞与开和关锥双极细胞(CBC)连接。在黑暗中，光感受器将谷氨酸从其突触末端释放到双极细胞树突上。ON CBC通过涉及代谢型谷氨酸受体6(mGluR6)的转导途径响应这种释放而超极化。
目前有3种视杆通路有助于成像视觉：一级、二级和三级。一级视杆通路最敏感，视杆细胞与视杆双极细胞(RBC)发生突触，红细胞也是ON型细胞表达mGluR6（图1A，绿色）。在二级通路中，视杆信号通过杆-锥间隙连接路由到锥细胞，然后传送到ON和OFF CBC（图1A，紫色）。三级通路中，视杆被认为直接与OFF CBC发生突触（图1A，青色）。
该文章全面描述了驱动PLR跨越暗视、中视和明视光强度的视网膜外电路。表明非成像视觉行为PLR需要最敏感的视网膜通路，即主要视杆通路才能正常功能。这项研究揭示了视网膜外回路对成像和非成像视觉的贡献的异同。
图1
首先，作者使用mGluR6敲除(KO)动物使ON通路沉默，分离出OFF通路，并使用PLR为检测标准，对暗适应的视网膜切片进行了全细胞膜片钳记录。发现mGluR6 KO及其同窝对照小鼠中的棒显示出强烈的光诱发反应，OFF CBC具有强烈的超极化反应，具有相似的灵敏度。证实ON通路在KO小鼠中被沉默，而OFF通路保持功能。随后作者用START法研究了暗适应瞬态PLR。发现KO小鼠瞳孔收缩受损，延迟反应和光照后立即出现收缩缺陷（图2A、2B和2C）。
为了确定mGluR6 KO动物的剩余反应是否完全归因于ipRGC中的黑视蛋白(Opn4)光转导并分离任何剩余的光感受器介导的PLR，作者构建了mGluR6和Opn4双KO(dKO)小鼠，证实在明视水平下，ON通路和黑视蛋白共同驱动PLR，OFF通路不能驱动明视PLR（图2A和2B）。
同时，作者发现光感受器介导的昼夜光反应需要一个功能性的ON通路，而OFF通路不能驱动这种视觉依赖性行为。随后作者进一步验证了dKO小鼠是否功失明，发现在明视光线水平下，偏离途径足以让动物完成成像、视觉引导的任务，但偏离途径不能驱动两种非成像视觉行为，即PLR和昼夜光反应。
图2
在确定只有ON通路驱动光感受器介导的非成像视觉之后，作者通过构建Elfn1 KO鼠、Cx36 KO(Cone-Cx36 KO)鼠和Cx36 dKO小鼠进一步研究了视杆和视锥回路通路对PLR的精确贡献。发现在Elfn1；Cx36 dKO小鼠(图3G-3i)中起作用的视锥感光细胞通路不能驱动正常的明视PLR。而延迟反应(图3C)类似于mGluR6 KO小鼠中观察到的依赖黑素的PLR(图2C)。
一级和二级视杆路径可以相互补偿以驱动正常的明视PLR，如这两个通路同时缺陷则可导致PLR的缺陷。利用Cx36 KO小鼠和Elfn1；Cx36 dKO小鼠很好的从基因上分离视锥通路与视杆细胞，Cx36 KO小鼠和Elfn1；Cx36 dKO小鼠完成了与对照组小鼠相当的视觉引导行为任务(图3K)。表明视锥光响应足以驱动成像、视觉引导行为，但不能驱动正常的PLR。
图3
随后，作者研究了在较暗的光线强度下，视网膜外回路如何影响PLR。作者测量了mGluR6；Opn4 dKO小鼠在暗光(1lux，475R*/rod/s)下的瞳孔收缩变化，发现MGluR6；Opn4 dKO小鼠没有暗点PLR(图4A和4B)；证明视杆三级通路和视杆二级旁路不能驱动暗视PLR但可以驱动成像。
图4
最后，作者研究了视杆通路对暗视PLR的作用。发现在暗视下Elfn1 KO小鼠的PLR较弱，存在较大的缺陷，CONE-Cx36 KO小鼠在1lux时有难以区分的瞳孔收缩(图5A和5B)。表明在暗光水平下，PLR不需要次级杆通路。
为了确定Elfn1 KO小鼠剩余的瞳孔收缩是否是由于二级通路，作者检测了Elfn1；Cx36 dKO小鼠的暗视PLR。发现尽管在明视光水平下是可有可无的，但我们发现在暗光水平下，初级视杆通路对于正常的PLR是必要的，而次级视杆通路不能补偿它的损失。
图5
总而言之，该研究显示视网膜外回路对非成像和成像视觉的贡献是以截然不同的。视网膜外通路不能驱动昼夜节律光反应和PLR这两种非成像的视觉依赖行为，但足以驱动成像，视觉引导的行为。
一级和二级视杆通路驱动明视PLR。虽然二级通路需要视锥细胞，但锥体光响应在没有视杆信号输入的情况下能驱动成像视觉但无法驱动非成像视觉。一级视杆通路是暗视和明视PLR所必需的唯一回路，成像和非成像视觉的主要回路贡献者。
参考文献
Corinne Beier, Ulisse Bocchero, Lior Levy et al. Divergent outer retinal circuits drive image and non-image visual behaviors. Cell Reports, 39, 111003 June 28, 2022
编译作者：VickyW（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）