Neuron｜颠覆传统认知：非成像光感受器ipRGCs在视觉中的新角色

论文标题：Non-image-forming photoreceptors improve visual orientation selectivity and image perception

发表期刊：Neuron（IF 14.7）

合作客户：中国科学技术大学 薛天、李钟、刘嵘团队 联合 陆军军医大学 谌小维团队、深圳先进技术研究院 鲍进团队 及 清华大学 弭元元团队

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研究背景

长期以来，人们认为图像感知仅由视杆细胞和视锥细胞介导，而自感光视网膜神经节细胞（ipRGCs）仅负责非成像视觉功能，但此前研究暗示ipRGCs在对比度检测中可能发挥潜在作用，其是否影响皮层视觉特征处理和哺乳动物图像识别尚不明确。近期，中国科学技术大学生命科学与医学部薛天/李钟/刘嵘团队联合陆军军医大学谌小维教授团队、深圳先进技术研究院鲍进教授团队及清华大学弭元元教授团队，在 Neuron（IF 14.7）在线发表题为 Non-image-forming photoreceptors improve visual orientation selectivity and image perception 的文章，研究发现ipRGCs能够通过调节初级视皮层（V1）的兴奋性和抑制性神经元，改善视觉方向选择性和图像感知，修正了几十年来关于图像轮廓感知仅由视杆和视锥细胞介导的观点。

研究结果

1、ipRGCs增强V1神经元方向选择性

研究人员运用体内双光子钙成像技术，记录负载钙指示剂Cal-520 AM的小鼠V1 L2/3神经元，对16个方向漂移光栅视觉刺激的反应。通过测量全局方向选择性指数（gOSI）和调谐带宽（FWHM）来表征V1方向选择性。对比Opn4^-/-小鼠（Opn4基因缺乏导致黑素视蛋白无法表达，ipRGCs失去内在光敏性）和野生型小鼠，发现Opn4^-/-小鼠V1 L2/3神经元的gOSI显著降低、FWHM更宽，对偏好方向（Pref-Ori）的Ca²⁺反应减弱。随后的黑素视蛋白的表达恢复及干扰实验充分证明了黑素视蛋白表达对改善V1方向选择性至关重要。进一步利用化学遗传学工具降低ipRGCs活性以及改变视觉光谱，再次证实ipRGCs的激活对于提高视觉皮层定向选择性至关重要。深入分析表明ipRGCs能单独激活V1 L2/3的兴奋性和抑制性神经元，它们可将依赖黑素视蛋白的光信号传递至V1皮层神经元，从而使这两种神经元兴奋。最后，研究团队探究了ipRGCs对V1兴奋性神经元和抑制性中间神经元的调节特性，结果表明ipRGCs激活对V1兴奋性和抑制性神经元具有差异影响，这种影响重塑了皮层兴奋性和抑制性平衡，进而提升了V1的方向选择性。

光激活ipRGCs重塑皮层兴奋和抑制平衡，以提高取向选择性

2、光激活ipRGCs在行为上提高了小鼠的方向辨别能力

为了研究ipRGCs对图像视觉感知行为的影响，研究团队对小鼠进行了一系列Go/No-Go任务，以检测其方向辨别能力。在小方向差异的任务测试中，野生型小鼠的d'值明显大于Opn4^-/-小鼠，并且其方向辨别阈值更低，表明野生型小鼠在区分小角度差异的方向时表现更优，即具有更强的方向辨别能力。通过向Opn4^-/-;Opn4-Cre小鼠的ipRGCs中恢复黑素视蛋白的表达，显著提升了这些小鼠的方向辨别能力；而注射GFP作为对照的小鼠，其方向辨别能力并没有明显变化。这些结果表明，ipRGCs中黑素视蛋白的表达对于改善小鼠的方向辨别能力至关重要。进一步采用"多蓝"和"少蓝"光栅在Δ10°任务中进行测试，证实ipRGCs的光激活提高了小鼠的方向辨别能力。此外，与动物实验结果一致，光激活ipRGCs也可提升人类视觉方向辨别能力。通过研究ipRGCs的皮层输入对外部视觉噪声抗性的影响，研究团队发现，来自ipRGCs的皮层输入能够增强V1对外部视觉噪声的抗性，这对理解视觉系统在复杂环境中的信息处理机制具有重要意义。

光激活ipRGCs可改善小鼠的定向识别

研究结论

本研究揭示了ipRGCs通过重塑皮层兴奋性和抑制性平衡，改善视觉特征处理，进而提高小鼠和人类的视觉方向辨别能力。这一发现修正了几十年来关于图像轮廓感知的传统观念，强调了黑素视蛋白敏感光谱在优化工作和生活光条件方面的重要性。

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