视觉生态如何塑造鼠科动物视网膜细胞组成和视觉编码

　　

正文：

引言

脊椎动物中枢神经系统在结构、发育和遗传上有着共同蓝图，但不同物种在感官、运动方式、觅食、躲避捕食者和繁殖策略等方面存在差异，这就需要大脑在共同蓝图基础上具备可塑性。近年来，大规模神经元群体记录和高通量单细胞转录组学技术的发展，为研究中枢神经系统进化提供了新途径。

本研究聚焦于两种密切相关的鼠科啮齿动物 —— 实验室小鼠（Mus musculus）和四纹鼠（Rhabdomys pumilio）的早期视觉系统。小鼠是研究哺乳动物视觉的常用模型，多为夜行性，其视觉系统具有视杆细胞主导视网膜和紫外线透射晶状体等特征。而四纹鼠生活在撒哈拉以南非洲地区，是昼行性动物，其视觉系统解剖结构有显著变化，如视网膜以视锥细胞为主、晶状体吸收紫外线、视网膜和大脑视觉中枢体积增大，且视觉相关基因进化加速。然而，目前尚不清楚这些解剖学变化如何影响视觉编码，以及哪些因素导致了解剖结构的扩展。为解决这些问题，研究人员结合高密度电生理记录和视网膜细胞图谱对比分析展开研究。

研究结果

1. 丘脑 - 皮质视觉编码的重新调整：研究人员假设丘脑 - 皮质视觉比负责反射行为的视觉系统部分更能可靠反映物种间视觉生态差异，因此对比了四纹鼠和小鼠背外侧膝状体核（dLGN）的视觉编码。他们使用 256 通道记录电极在多个位置记录了两种动物 dLGN 神经元的视觉诱发活动，并应用全视野时间调制刺激来识别功能反应类型。通过稀疏主成分分析（sPCA）和高斯混合模型聚类，研究人员得到了 15 个功能簇。结果发现，大多数功能簇在两个物种中都存在，但部分簇在物种间的频率差异显著，如四纹鼠中最常见的瞬态 ON - OFF 反应簇在小鼠中很少见，而小鼠中占比高的持续 ON 反应簇在四纹鼠中较少。此外，四纹鼠对高频刺激更偏好，对比敏感度也更高。

2. 四纹鼠 dLGN 时空分辨率增强：行为学实验表明，四纹鼠对正弦光栅的反应频率比小鼠高两倍以上。电生理实验中，研究人员用二进制密集噪声刺激绘制感受野（RF），发现四纹鼠 dLGN 的时间保真度更高，其 RF 中心的时间滤波器潜伏期更短，且 RF 重叠度更大。在空间频率调谐实验中，四纹鼠 dLGN 神经元对更高空间频率的敏感性显著增加，许多神经元能对超出预测 RF 大小的高频光栅做出反应。同时，四纹鼠 dLGN 中非线性神经元的比例至少为 60%，远高于小鼠的 25%，且非线性神经元能对小于其 RF 大小的空间频率做出反应。

3. 方向 / 方向选择性和对运动的反应：通过分析反转光栅反应，研究人员计算了每个神经元的方向选择性指数（OSI），发现小鼠和四纹鼠 dLGN 中 OSI 值的分布相似，且在两个物种中，约 10% - 11% 的光反应神经元为方向选择性神经元。在方向选择性神经元中，小鼠偏好水平方向的刺激，而四纹鼠的分布更均匀，但由于方向选择性神经元数量较少，这些差异的显著性难以确定。应用移动条刺激实验发现，两个物种中约 90% 的光反应神经元对该刺激有阶段性放电变化，四纹鼠对移动条的前缘和后缘都有更强的反应倾向，但两个物种的方向选择性指数（DSI）分布相似，且在运动方向偏好上没有显著差异，不过四纹鼠在背 - 颞和腹 - 鼻方向有运动敏感性偏向。

4. ERG 记录结果：虽然皮质视觉编码在 dLGN 中形成，但其基本特性源于视网膜。研究人员通过体内视网膜电图（ERG）记录发现，在暗适应条件下，高强度光刺激时四纹鼠的 a 波更大，低强度时小鼠的 a 波更大，这与四纹鼠视杆细胞相对较少相符。同时，四纹鼠 b 波的隐含时间缩短，反映出其 ON 双极细胞（BC）活动的变化。在光适应条件下，小鼠的光脉冲 ERG 主要由 b 波主导，而四纹鼠的 d 波至少与 b 波一样突出，这表明四纹鼠从视觉信号转导的最早步骤就向 OFF 兴奋重新调整。

5. 视网膜细胞类和类型的比较：为了解四纹鼠和小鼠初级视觉通路中不同的编码特性，研究人员对比了两个物种的视网膜神经元类型。他们使用单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）和单细胞核 RNA 测序构建的细胞图谱，对四纹鼠的 65,930 个细胞核进行分类，得到了五个视网膜神经元类以及多种神经胶质细胞、内皮细胞和视网膜色素上皮细胞。每个神经元类又可进一步分为转录组不同的簇，通过将四纹鼠的簇与研究更深入的小鼠类型进行映射，研究人员实现了物种间的比较。

6. 四纹鼠视网膜以视锥细胞为主：分析视锥细胞（PR）转录组发现，小鼠视锥细胞仅占 PR 的约 3%，而四纹鼠视锥细胞占比超过 65%，且四纹鼠中约 92.7% 的中波敏感（MWS）视锥细胞仅表达 MWS 视蛋白，远高于小鼠中 40% 的共表达短波长敏感（SWS）视蛋白的比例。

7. 四纹鼠内视网膜视杆 BC 减少和 OFF BC 比例增加：双极细胞（BC）可分为 ON 和 OFF 类型，视锥细胞与两者都有连接，而视杆细胞只与 ON BC 相连。对四纹鼠约 11,400 个 BC 转录组聚类得到 18 种类型，包括 7 种 OFF 视锥 BC、9 种 ON 视锥 BC、1 种视杆 BC 和 1 种难以分类的 BC1B。与小鼠相比，四纹鼠 BC 类型更多，视杆 BC 占比从约 43% 降至 3.5%，且在视锥 BC 中，OFF BC 更多，ON BC 更少，这种变化与 ERG 中增强的 d 波以及 dLGN 中更多的 OFF 兴奋反应一致。

8. 四纹鼠中 OFF 和 ON - OFF RGC 数量增加：对四纹鼠 26,500 个视网膜神经节细胞（RGC）转录组重新聚类得到 33 个簇，虽少于小鼠的 45 种分子不同的 RGC 类型，但所有已知小鼠 RGC 类型在四纹鼠中都有代表。根据小鼠 RGC 的分类结果，研究人员对四纹鼠 RGC 进行初步分类，发现小鼠中 8 种最丰富的假定 ON 类型在四纹鼠中代表性不足，而大多数 OFF 或 ON - OFF 类型在四纹鼠中更为丰富，包括所有四种已知的 ON - OFF 方向选择性类型（ooDSGCs）。

9. 四纹鼠中 ipRGCs 减少：在小鼠中已鉴定出多种表达黑视蛋白（Opn4）的内在光敏 RGC（ipRGCs）类型，小鼠 RGC 图谱中确定了 5 种 ipRGC 类型以及 2 种与之密切相关的类型。这些类型在四纹鼠中共同映射到 C16 和 C27 簇，但相对丰度显著降低。荧光原位杂交链反应（HCR - FISH）实验验证了这一结果，发现四纹鼠中 Opn4⁺细胞的绝对密度和占总 RGC 群体的比例都大幅降低，且其 Opn4⁺细胞似乎偏向小细胞体和高 Opn4 表达。

讨论

本研究结合生理学和转录组学技术，揭示了密切相关的鼠科啮齿动物视觉系统如何适应不同的视觉生态。昼行性四纹鼠的内视网膜更厚，dLGN 更大，其视觉编码向非线性时空总和显著重新调整，这伴随着视网膜细胞组成的变化，如 OFF BC 和 OFF、ON - OFF RGC 的选择性扩张。

四纹鼠早期视觉系统增加的容量并没有采用像灵长类那样向皮层传输更高保真度视觉场景的策略，也没有明显增加视觉编码的多样性。相反，它通过增加 RF 重叠和利用非线性时空总和，提高了时空分辨率。这种策略可能使四纹鼠在有限的 RF 大小条件下，更有效地利用额外的信息来提高视觉敏锐度。

在视网膜细胞组成方面，四纹鼠视网膜中视锥 PR 的增加主要是 M - 视锥视蛋白表达视锥的选择性扩张，这与它昼行性的生活方式以及 UV 敏感的 S - 视锥视蛋白和过滤 UV 波长光的晶状体有关。二阶神经元，即双极细胞，在两个物种间也有很大差异，四纹鼠视杆 BC 减少，视锥 BC 增加且偏向 OFF BC，这不仅有助于非线性时空总和，还可能使四纹鼠更快速地检测阴影、负空间对比和空中捕食者。

RGC 群体的物种差异与观察到的视觉编码变化相符，四纹鼠中 ON 反应的 RGC 类型相对减少，OFF 和 ON - OFF 反应的 RGC 类型增加，同时 ipRGCs 数量显著减少。虽然 ipRGCs 数量减少的意义尚不清楚，但在其他昼行性物种中也有类似现象，这表明生态位与 ipRGC 细胞组成可能存在联系。

总之，小鼠和四纹鼠的比较展示了感觉系统如何适应不同的生态环境。尽管它们在系统发育、体型和饮食上相似，但视觉系统却有显著差异。四纹鼠利用其富含视锥细胞的视网膜和扩大的内视网膜及 dLGN，适应了白天视觉信号更高的信噪比。视网膜细胞组成的变化驱动了视觉编码向 OFF 反应和非线性时空总和的重新调整，提高了空间分辨率，这表明进化上有利的计算结果可以通过常见细胞类型的选择性扩张或收缩来实现，而无需发明新的细胞类型。

资源可用性

1. 主要联系人：如需进一步信息、资源和试剂，可联系主要联系人 Annette Allen（[e-mail]）。

2. 材料可用性：本研究未产生新的独特试剂。

3. 数据和代码可用性：原始和处理后的测序数据已存入基因表达综合数据库（GEO），登录号为 GEO: GSE237210，自发表之日起可公开获取。电生理数据可应主要联系人要求提供。所有原始代码已存入 Zenodo（https://zenodo.org/record/8067826）和 GitHub（https://github.com/shekharlab/RetinaEvolution），自发表之日起可公开获取。如需重新分析本文数据的其他信息，可向主要联系人索取。

致谢

本研究得到了 Sir Henry Dale 奖学金（218556/Z/19/Z）、Wellcome Investigator 奖（210684/Z/18/Z）、NIH 资助（U01MH105960）和 McKnight 基金会的支持。

作者贡献

A.E.A., J.R.S., K.S., 和 R.J.L. 监督项目；A.E.A. 进行电生理数据收集和分析，J.M., J.R., P.O.-F., 和 R.S. 提供协助；A.E.A. 进行 ERG 数据收集和分析，B.B.-O. 提供协助；R.R., A.P., 和 A.E.A. 进行 HCR - FISH 实验和分析；C.W., J.W., 和 N.M. 进行视网膜免疫组织化学和成像；A.B. 收集行为数据，A.E.A., B.B.-O., 和 R.S. 提供协助；J.H. 进行 scRNA - seq 数据的计算分析，W.Y. 提供协助；A.M. 进行 scRNA - seq 实验；A.E.A., J.H., J.R.S., K.S., 和 R.J.L. 撰写手稿，所有作者参与并批准。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

STAR 方法

1. 关键资源表：列出了研究中使用的抗体、实验模型（小鼠和四纹鼠）、软件和算法（如 Python、MATLAB、Seurat v4.3.0 等）、数据存储库等资源及其来源和标识符。

2. 实验模型和研究参与者详情：动物实验遵循英国 1986 年《动物（科学程序）法案》，经曼彻斯特大学伦理委员会批准。实验使用成年四纹鼠和 C57BL6J 小鼠（3 - 8 个月龄，雌雄混合），饲养在 12h 光照 / 12h 黑暗周期、22°C 环境中，自由获取食物和水。

3. 方法详情
   

• 体内电生理学：在 6 只四纹鼠和 5 只小鼠（雄性）中进行体内电生理记录，使用特定的麻醉和实验设备，记录 dLGN 神经元活动，对数据进行预处理和分析。

• 视觉刺激：使用标准化的时空模式单色刺激，包括时间刺激（如 2s 光强变化、8s 时间啁啾等）和空间刺激（如稀疏二进制噪声刺激、反转光栅刺激、移动条刺激），刺激光谱根据物种进行设计。

• dLGN 对视觉刺激反应的分析：包括全视野刺激分析（如生成 PSTH、计算 ON:OFF Bias 指数和 Sustainedness 指数等）、功能聚类（通过 sPCA 和高斯混合模型）、感受野映射（用 STA 和 2D 高斯函数）、空间频率调谐和空间总和分析（计算 OSI 和 LI）以及运动选择性分析（计算方向选择性指数）。

• 行为测量空间敏锐度：在成年小鼠和四纹鼠中进行行为实验，通过特定设备和软件控制实验过程，分析动物对不同空间频率刺激的反应。

• 视网膜电图：在成年小鼠和四纹鼠中记录 ERG，实验过程包括暗适应、麻醉、刺激呈现和数据采集分析，测量 a 波、b 波和 d 波的相关参数。

• 免疫组织化学：对视网膜全层和切片进行免疫组织化学染色，分别标记 ipRGCs 和视杆双极细胞。

• 荧光原位杂交链反应：对小鼠和四纹鼠视网膜进行 HCR - FISH 实验，按制造商协议操作，用特定软件进行细胞检测。

• 转录组数据集分析：包括基因表达的比对和定量（使用 Cellranger）、主要视网膜细胞类的分离（基于 Seurat v4.3.0 在 R 中分析）以及监督分类分析（探索物种间转录对应关系）。

4. 量化和统计分析：详细说明了实验的统计分析方法，包括使用的统计检验、样本数量、显著性水平等，数据根据正态性选择参数或非参数统计检验。

补充信息

提供了两个补充文档，包括 Figures S1 - S9、Tables S1 - S3 以及文章加补充信息的内容。