Science：揭示视网膜波通过模拟未来视流实现视觉运动检测
来源：本站原创 2021-07-23 12:49
2021年7月23日讯/生物谷BIOON/---小鼠视觉系统的基本回路特征在视觉开始之前就出现了，使小鼠能够在睁眼时立即感知物体和探测视觉运动。小鼠的视觉系统如何在没有结构化的外部感觉输入的情况下，在睁眼时实现自我组织，目前还不是很清楚。在没有感觉驱动的情况下，发育中的视网膜会以传播波的形式产生自发活动。过去的研究工作已表明，自发的视网膜波提供了相关的活动，
2021年7月23日讯/生物谷BIOON/---小鼠视觉系统的基本回路特征在视觉开始之前就出现了，使小鼠能够在睁眼时立即感知物体和探测视觉运动。小鼠的视觉系统如何在没有结构化的外部感觉输入的情况下，在睁眼时实现自我组织，目前还不是很清楚。在没有感觉驱动的情况下，发育中的视网膜会以传播波的形式产生自发活动。过去的研究工作已表明，自发的视网膜波提供了相关的活动，这对完善下游视觉区域的总地形图的发展是必要的，如视网膜拓扑映射（retinotopy）和眼球特异性分离，但目前还不清楚视网膜波是否也传达了指示开眼时高阶视觉反应特性（如方向选择性）产生的信息。
自发的视网膜波在整个发育过程中表现出固定的时空变化模式。为了确定视网膜波在发育过程中的时空特性，来自美国耶鲁大学医学院的研究人员在一项新的研究中对清醒的新生小鼠投射到上丘（superior colliculus）的视网膜轴突使用了单光子宽场钙成像。相关研究结果发表在2021年7月23日的Science期刊上，论文标题为“Retinal waves prime visual motion detection by simulating future optic flow”。
这些作者发现了一种一致的传播偏向发生在睁眼前不久的一个短暂的发育窗口。通过定量分析，他们研究了有方向性偏差的视网膜波是否传达了与未来视觉输入有关的行为学信息。为了了解方向性视网膜波的起源，他们使用了药理学、光遗传学和遗传学策略来确定导致传播偏向的视网膜回路。最后，为了评估定向视网膜波在视觉系统发育中的作用，他们使用药理学和遗传学策略来长期操纵视网膜波的方向性，并使用双光子钙成像来测量睁眼后中脑上丘对视觉运动的反应。
这些作者发现，小鼠的自发视网膜波在发育的短暂窗口期（出生后第8天到第11天）表现出明显的从颞部到鼻部方向的传播偏向。方向性视网膜波流（retinal wave flow）的空间几何学与前向自我运动产生的视流模式（optic flow pattern）非常吻合，这是开眼后一个主要的自然视流模式。他们在视网膜回路中发现了一种内在的不对称性，这种不对称性加强了视网膜波的传播偏向，涉及到成体视网膜中运动检测所必需的相同回路元件，特别是通过γ-氨基丁酸A型（GABAA）受体在星爆型无长突细胞（starburst amacrine cell）中产生的不对称抑制。最后，通过慢性给送gabazine药物阻断GABA能抑制或星突胺细胞特异性FRMD7基因突变来操纵方向性视网膜波，损害了视网膜下游的上丘神经元对视觉运动产生反应。
方向性视网膜波的起源和功能，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abd0830。
综上所述，这些研究结果表明，在视觉开始之前，发育中的视网膜的自发活动是结构化的，可以在视觉经验开始之前传达视觉反应特性产生的基本信息。自发的视网膜波模拟了未来通过空间向前运动产生的视流模式，这是由于不对称的视网膜回路与成熟视网膜的运动检测回路有着进化上的保守联系。此外，方向性视网膜波所转达的与行为学有关的信息在开眼前增强了下游视觉系统中高阶视觉功能的产生。这些发现使人们深入了解在感觉经验开始之前调节大脑回路自我组织的活动依赖机制。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Xinxin Ge et al. Retinal waves prime visual motion detection by simulating future optic flow. Science, 2021, doi:10.1126/science.abd0830.
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