摘要：百余年来，任何和视觉相关的教科书都认为哺乳动物图像信息的感光 （即“成像视觉”） ，完全依赖于视网膜中的视锥细胞 （cones） 和视杆细胞 （rods） 。这两类传统感光细胞被认为是图像视觉系统的感光核心，负责将光信号转化为神经电信号，传递至大脑进行图像认知

点评丨李巍（美国NIH）、张嘉漪（复旦大学）

百余年来，任何和视觉相关的教科书都认为哺乳动物图像信息的感光 （即“成像视觉”） ，完全依赖于视网膜中的视锥细胞 （cones） 和视杆细胞 （rods） 。这两类传统感光细胞被认为是图像视觉系统的感光核心，负责将光信号转化为神经电信号，传递至大脑进行图像认知处理。本世纪初，视网膜中第三类感光细胞—自感光视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells,ipRGCs） 被发现，一系列工作证实其仅参与调控 “非成像视觉”功能，例如通过感知环境光照强度，调节生物钟、瞳孔对光反射、情绪、发育和代谢等。因此，教科书中也将ipRGC称为非成像视觉感光细胞。

2024年12月，中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授团队、与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合作，在Neuron在线发表题为Non-image-forming photoreceptors improve visual orientation selectivity and image perception的研究成果，首次证实了非成像视觉感光细胞ipRGC参与人和动物图像认知处理中的重要特征——方位选择性（orientation selectivity）的加工编码。

方位选择性是大脑视觉皮层处理图像信息的一项核心功能，帮助大脑对物体形状和方位的识别，是大脑图像认知的最根本能力之一。实验人员通过在体双光子钙成像、多通道电生理记录和动物决策行为学，惊讶的发现传统非成像视觉感光细胞ipRGC的感光提升了小鼠初级视觉皮层 （primary visual cortex，V1） 第2/3层（L2/3）神经元的方位选择性、以及小鼠的视觉方位区分能力（图1）。进一步，研究人员发现ipRGC的感光对V1 L2/3兴奋性和抑制性神经元的方位选择性具有不同的影响：ipRGC的感光选择性地提升了兴奋性神经元在其偏好方位的响应强度，但对抑制性神经元则是提升了其对所有方位的响应强度。进一步研究证实ipRGC对兴奋性和抑制性神经元的差异性调制，调控了V1 L2/3神经网络的兴奋/抑制平衡，最终提升了V1 L2/3兴奋性神经元的方位选择性。更重要的是，研究人员通过搭建具有四种颜色光谱的显示系统，独立的控制红、绿、蓝三种视锥细胞和ipRGC的激活强度，证实当人眼中ipRGC被光激活程度增加时，人类被试的图像方位区分能力得到显著提升（图1）。该研究颠覆了百余年来教科书中对于成像视觉感光系统的认知，揭示了ipRGCs不仅是非成像视觉的感光细胞，同时也在成像视觉中扮演重要角色，刷新了我们对于人类最重要的信息输入来源—成像视觉系统工作原理的理解。

从视觉生理功能的角度分析，ipRGC很可能通过解析环境光的强弱，动态的调节成像视觉方位选择性的信息处理。值得指出的是，我们所有的手机、电脑、电视等显示屏幕的设计，均依据视锥视杆是唯一成像视觉感光细胞这一认识。因此绝大多数显示屏幕均只有红、绿、蓝三色，其成像模式没有考虑ipRGC的感光对视觉图像感知的影响。因此在一些需要最大程度还原视觉图像信息、提升视觉图像的分辨能力的场景下，面板等显示器行业可能需要考虑开发四色甚至更高多色的新型显示终端。

图1：ipRGC的感光通过差异性调节大脑视皮层兴奋性和抑制性神经元对方位刺激的响应，重塑了视皮层神经网络的兴奋/抑制平衡，最终提升了视皮层的方位选择性及小鼠和人的视觉方位识别能力。

中国科学技术大学微尺度国家研究中心博士后史逸铭和博士后张家明为本文的共同第一作者，中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授作为最后通讯作者构思和全面指导执行了整项研究，共同通讯作者陆军军医大学谌小维教授、深圳先进研究员鲍进教授、清华大学弭元元教授、中国科学技术大学微尺度国家研究中心李钟副研究员和生命科学与医学部刘嵘副研究员，分别在视皮层活体钙成像、前期动物模型建立、神经计算模拟、皮层多通道电生理记录和人视觉心理物理实验等方面做出贡献。

专家点评

李巍（美国NIH）

视网膜中除了视杆和视锥细胞之外的第三类感光细胞 - 自感光的神经节细胞（ipRGCs）长期以来被认为是调控哺乳动物的非成像视觉功能（比如瞳孔对光反射，昼夜节律调节等）的感光细胞。在这项研究中，中国科学技术大学薛天教授团队与合作者发现了一个令人意外的现象：主司非成像视觉功能的ipRGCs，竟然还对视觉图像信息加工中的重要特征—方位选择性—起到调控作用。该研究不仅在细胞水平发现ipRGCs的光感受能够提升初级视觉皮层（V1）神经元的方位选择性，而且还在行为学水平展示了这一信号通路能够显著增强小鼠和人类对方位差异的识别能力。这一成果证明了ipRGCs在视觉图像信息加工中的重要性，修正了视觉图像编码仅由视杆和视锥细胞介导的传统认识，完善了我们对视觉图像信息加工神经机制的理解。

这个发现看似意料之外，但是从进化的角度来看又有其合理之处。目前广为接受的视网膜进化理论认为，脊椎动物的祖先（比如类似文昌鱼的物种）同时具备纤毛状感光细胞和微绒毛状感光细胞的感光眼点，前者是视锥和视杆细胞的祖先，而后者是包含ipRGC的视网膜神经节细胞（RGC）的祖先。它们各自独立地贡献于脊椎动物祖先的光感应功能。而随着进化的发展，纤毛状感光细胞同微绒毛状感光细胞之间形成突触连接，而后者投射到中枢神经系统，逐渐演化出复杂视觉感知。因此ipRGC在保持非成像感光功能的同时，与视锥，视杆细胞一起协同调节成像视觉功能，也就顺理成章了。

除了这一改变教科书的科学发现之外，值得关注还有研究团队搭建的一个可以独立调控人类视网膜中三类视锥细胞（红、绿、蓝）以及ipRGCs激活强度的四原色显示系统。该系统能够在不改变三类视锥细胞光激活的情况下，特异性调控ipRGCs的激活强度。这一设计为开发提升人类成像视觉体验的显示终端和照明设备提供了技术可能性。基于这项工作的发现，我们也许需要重新审视被广泛使用的三原色显示系统了。

专家点评

张嘉漪（复旦大学）

哺乳动物对外部世界的视觉感知源于视网膜。任何接受过生物医学相关专业教育的学生都知道一个常识，视杆（rod）和视锥（cone）细胞是形成图像视觉唯二的感光细胞。近二十年来，新发现的第三类感光细胞ipRGCs则被认为是执行例如昼夜节律调节等非成像视觉感光功能。近年来，薛天研究团队在发现ipRGC感光分子机制、光通过ipRGC调节诸如情绪、脑发育、糖代谢等非成像视觉功能方面做出系列原创贡献，在国际上引领了“光调控生命过程”这个新领域的开拓和发展。

薛天和合作者团队首次发现了ipRGCs能够增强初级视觉皮层（V1）的方位选择性。此外，通过动物行为学和心理物理学实验，他们进一步证实了ipRGCs的光感受可以提升小鼠和人类对方位差异的辨别能力。这项全新的发现，打破了教科书中对于成像视觉仅由视杆和视锥细胞介导的刻板印象，为视觉信息加工领域提供了全新的感光机制层面的认识。

这项突破性的工作打开了成像视觉信息处理的全新视角，一系列有价值问题等待回答。例如，ipRGC是通过何种眼脑连接的神经环路最终塑造视皮层的图像信息处理？ipRGC的感光是否通过监测环境光强动态调节方位选择性的信息处理？这些新的认识又是否可以为计算机图像处理提供可借鉴的角度？

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00840-7

制版人：十一

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来源：科学创造美好未来