松鼠研究揭示了光通过眼睛的新路径
美国国家眼科研究所(NEI)的研究人员发现，眼睛的感光细胞中产生能量的细胞器，即线粒体，起着微透镜的作用，帮助将光线引导到这些细胞的外节，并将其转化为神经信号。在地松鼠身上的发现为视网膜的光学特性提供了更精确的图像，有助于早期发现眼病。研究结果，今天发表在《科学进展》杂志上的研究也揭示了视觉的进化．NEI是美国国立卫生研究院的一部分。
“我们对这一迷人的现象感到惊讶，线粒体似乎有双重用途:它们已经确立的代谢作用产生能量，以及这种光学效应，”该研究的首席研究员李伟博士说他是NEI视网膜神经生理学部门的负责人。
这些发现还解开了一个关于哺乳动物视网膜的长期谜团。尽管进化的压力使光被转化为信号，并立即从视网膜传递到大脑，但这一过程几乎不是直接的。一旦光线到达视网膜，它必须通过多个神经层才能到达光感受器的外部部分，在那里发生光转导(光的物理能量转换为细胞信号)。光感受器是长管状结构，分为内段和外段。光子在从内段移动到外段之前必须穿越的最后一个障碍是异常密集的线粒体束。
这些线粒体束似乎通过散射光或吸收光来对抗视觉过程。因此，李的团队开始研究它们的目的，方法是研究13纹地松鼠的锥状光感受器。
与其他用于视觉研究的动物模型不同，有13条条纹的地松鼠的视网膜主要由能看到颜色的视锥细胞组成，而非具有夜视功能的视杆细胞。李的团队研究了13纹地松鼠，以更好地了解主要影响锥体光感受器的人类眼病的原因。
研究人员使用一种改良的共聚焦显微镜来观察暴露在光下的活锥状线粒体的光学特性。紧密排列的线粒体并没有散射光，而是将光沿着一条细长的铅笔状轨迹集中到外层。使用高分辨率线粒体重建的计算建模证实了活体成像的发现。
“线粒体的透镜状功能也可以解释被称为斯泰尔斯·克劳福德效应的现象，”该论文的第一作者、视网膜神经生理学部门的科学家约翰·鲍尔博士说。
长期以来，科学家们一直在测量视网膜对光的反应，他们观察到，当光线从瞳孔中心附近进入眼睛时，它比同样强度的光线从瞳孔边缘附近进入眼睛时显得更亮。
在这项研究中，Li发现线粒体的透镜效应遵循类似的方向光强度曲线。也就是说，根据光源的位置，线粒体将光线聚焦到细胞的外部部分，其轨迹反映了从斯泰尔斯-克劳福德效应观察到的轨迹。
将线粒体的透镜样功能与斯泰尔斯-克劳福德效应联系起来具有潜在的临床意义。这种长期观察到的效果现在可能被用作非侵入性检测视网膜疾病的基础，其中许多疾病被认为在其起源时涉及线粒体功能障碍。例如，据报道，患有色素性视网膜炎的患者即使视力良好，也会出现异常的斯泰尔斯-克劳福德效应。锥体线粒体的结构和功能变化及其在可检测光学特征中的表现有待进一步研究。
最后，这些发现为我们的眼睛是如何进化的提供了新的见解。
就像李研究中的线粒体一样，在鸟类和爬行动物的光感受器中，微小的油滴位于最接近外部部分的内段，它们被认为具有光学作用。此外，哺乳动物视锥光感受器中的线粒体“微透镜”赋予了一种功能，让人联想到节肢动物(如苍蝇和大黄蜂)的复眼。
“这一见解在概念上连接了节肢动物的复眼和脊椎动物的相机眼，这是两个独立进化的图像形成系统，展示了聚合进化的力量，”李说。
参考:球形JM，陈珊珊，李伟。锥形光感受器中的线粒体作为微透镜来增强光子的传递并赋予光的方向敏感性。科学。睡觉。2022; 8(9)。doi:10.1126 / sciadv.abn2070
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