Nature：视网膜的秘密！当“节能模式”遇见“高效协作”，眼睛如何选择重要视觉信息？

眼睛视网膜是光敏感的感光细胞和第一批神经细胞所在的地方，它对光学信息的处理是生物体中能量最密集的过程之一，尤其是考虑到视网膜的相对重量较低。

50多年来，所谓的“有效编码假说（efficient coding hypothesis）”决定了对眼睛视觉过程的科学理解。它指出，视网膜的任务是尽可能有效地处理视觉信息，以节约能源。这意味着，在产生电信号将视觉信息传输到大脑时，同时活跃的神经细胞应该尽可能少。

相关研究结果发表在2025年1月9日的Nature期刊上，论文标题为“Nonlinear receptive fields evoke redundant retinal coding of natural scenes”。

如今，德国哥廷根大学医学中心眼科研究小组组长Tim Gollisch教授领导的一个研究团队发现，有效编码假说并不适用于眼睛中的所有神经细胞。对于许多细胞而言，他们能够在视网膜组织制备物中观察到，整个细胞群通常同时处于活动状态。

神经细胞的这种协调相互作用似乎与高效节能的信息传输相矛盾，这是因为单个细胞传输相同的信号。Gollisch及其研究团队能够证实，这些细胞的联合活动不是随机发生的，而是当高对比度图像进入视野或观察到某些方向的运动时，某些细胞群同时变得活跃。

Gollisch说，“神经细胞的这种协调合作可以使大脑区分特别相关的光信号，如对比度或运动的识别，以及其他不太重要的影响，如亮度的变化，例如当云层在太阳前移动时，一切都会变得稍微暗一些。另一方面，某些细胞群似乎通过对相应的感官刺激做出特别短暂的反应来确保能量效率。”

“这些发现为治疗失明提供了潜力。这尤其适用于由退化过程引起的失明，例如视网膜中的感光器死亡。这些感光细胞吸收环境中的光并将其转化为电信号，然后由神经细胞传输到大脑以处理视觉信息。”

灵长类动物神经节细胞对自然视频反应的相关性和冗余性

论文第一作者、哥廷根大学医学中心眼科前博士后研究员Dimokratis Karamanlis博士说，“当感光细胞死亡时，没有更多的信号通过相应的神经细胞传递。如果这些神经细胞被人工激活，即通过视觉假体（visual prosthesis）激活，重要的是诱导适当协调的神经细胞活动，以便大脑接收尽可能真实的信号，从而正确地解释它们。”

背景

有效编码假设的一个基础是观察到，例如，当看到一个大的白色表面时，主要活跃的神经细胞是那些感知表面边界的神经细胞。识别表面“内部”的细胞在活动中受到抑制，以节省能量。表面内部，即边界之间，也是白色的，这是大脑在没有这些信号的情况下也能识别出来的。

然而，在实际自然界中很难找到长时间处于视野中的大面积白色区域。因此，Gollisch团队测试了视网膜组织样本对自然照片的反应。为此，将这些图片投影到视网膜组织样本上，并以与自然眼球运动相对应的方式移动。

通过同时测量大量神经细胞的电活动，他们能够证实某些类别的神经细胞很好地遵守有效编码假说，并且彼此独立反应。另一方面，其他突出的神经细胞类别并不遵循这一假设，往往会一起变得活跃。

新见解

这项研究的结果将被直接纳入哥廷根大学最近成立的Else Kröner Fresenius光遗传学治疗中心的新治疗方法的开发中。在某些形式的失明中，将光敏蛋白引入眼睛的神经细胞，以便用光激活这些细胞。

Gollisch教授说，“这些结果将帮助我们了解这些神经细胞的哪些活动模式是自然识别某些视觉印象所必需的。开发治疗方法的目的将是人工生成这些模式。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Dimokratis Karamanlis et al. Nonlinear receptive fields evoke redundant retinal coding of natural scenes. Nature, 2025, doi:10.1038/s41586-024-08212-3.