鱼类视网膜中单个视锥细胞如何形成多种视锥类型？研究揭示关键发育机制

为探究多视锥类型及相关镶嵌模式起源，研究人员研究硬骨鱼视网膜，发现单视锥细胞是原始细胞，其形成的六边形镶嵌模式先于其他模式，这对理解视觉系统进化意义重大。

　　在奇妙的动物世界里，视觉对于许多动物来说至关重要，它们依靠视觉来捕食猎物、躲避天敌、选择配偶以及在环境中自由穿梭。而在脊椎动物的视觉系统中，视网膜上的光感受器起着关键作用，其中视锥细胞（cone photoreceptors）更是在明视觉和色觉中扮演着核心角色。视锥细胞以单个细胞（单视锥细胞）或结构相连的细胞组合（如双视锥细胞、三视锥细胞）的形式存在，它们在视网膜表面形成不同规则性和细胞组成的镶嵌模式（mosaics） 。

尽管双视锥细胞早在 150 多年前就被发现，但关于它们的形成机制，比如是由单个视锥细胞融合而成，还是源于结构相连的视锥前体细胞，至今仍存在争议。同时，脊椎动物中视锥细胞形态类型和镶嵌模式的出现是否存在普遍顺序，也一直是未解之谜。这些问题就像一团迷雾，笼罩着视觉研究领域，阻碍着人们对视觉系统发育和进化的深入理解。

为了驱散这团迷雾，来自西蒙弗雷泽大学（Simon Fraser University）、维多利亚大学（University of Victoria）等机构的研究人员 I?igo Novales Flamarique 和 Lisa A. Grebinsky 等开展了一项重要研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为我们揭示了鱼类视网膜中多视锥类型和镶嵌模式的形成奥秘，对理解脊椎动物视觉系统的进化具有重要意义。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 组织学技术：对安乐死后的胚胎 / 幼虫的整个身体以及幼鱼 / 成鱼的眼球（eyecups，去除虹膜和晶状体的眼睛）进行固定、脱水、包埋等处理，制作成不同厚度的切片，用于观察视网膜的组织结构和细胞形态。
2. 免疫组织化学技术：对幼虫进行固定、冷冻保护和包埋后，制成冰冻切片，通过免疫组织化学方法检测 α - 微管蛋白（α -tubulin）在视锥细胞中的表达和定位，以此来研究视锥细胞的发育和分化过程。
3. 空间分析技术：利用 Photoshop 软件对视网膜的数字显微照片进行分析，获取视锥细胞的相关参数，再通过定制的 Matlab 程序进行 Delauney 三角剖分和 Voronoi 域分析，以及空间自相关分析等，来研究视锥细胞的分布特征和镶嵌模式的规律性。

研究结果如下：

1. 视锥类型和镶嵌模式的发育：研究人员对四种晚熟型（altricial）鱼类（大西洋大比目鱼、塞内加尔鳎、黑鳕、欧洲鳀）和三种早熟型（precocial）鱼类（虹鳟、三刺鱼、斑马鱼）的视网膜发育进行了研究。结果发现，在光感受器分化的早期阶段，所有鱼类都只有单视锥细胞，并且它们主要以类似六边形的镶嵌模式分布。在晚熟型鱼类的早期幼体阶段，单视锥细胞会持续存在并保持六边形晶格排列，而早熟型鱼类在孵化前也是如此。之后，晚熟型鱼类在变态发育开始后，单视锥细胞开始融合，六边形晶格逐渐转变为不同规则性的镶嵌模式，趋向于形成方形镶嵌模式（square mosaic），同时还会出现一些变异情况。早熟型鱼类虽然也有单视锥细胞融合形成双视锥细胞和方形镶嵌模式的过程，但这个过程更为迅速，且六边形样的图案存在时间短暂。斑马鱼的视锥细胞模式与其他鱼类有所不同，但双视锥细胞的形成过程相似。此外，研究人员还发现，在鱼类视网膜的周边生长区域，双视锥细胞的形成过程与中央视网膜类似，但动力学更接近早熟型视网膜。
2. 视锥细胞和镶嵌模式的潜在功能：除了欧洲鳀通过发育特殊的轴向二色性光感受器来感知光的偏振用于捕食外，其他鱼类在开始主动捕食前形成双视锥细胞和方形镶嵌模式，这表明它们可能在运动检测中发挥作用。在鱼类发育的不同阶段，视锥细胞的镶嵌模式和视觉功能存在差异。在孵化后依靠卵黄囊营养的阶段，高度密集的单视锥细胞六边形镶嵌模式有利于最大程度地捕获光子和检测物体，而随着卵黄囊的吸收，这种模式也能帮助鱼类检测猎物微生物散射的闪光，介导首次摄食。当开始主动捕食时，双视锥细胞和方形镶嵌模式似乎对高分辨率检测目标和跟踪至关重要。
3. 双视锥细胞的结构和功能优势：双视锥细胞是椭圆形波导结构，这种结构可以提高时空分辨率。从进化角度来看，双视锥细胞可能是趋同进化的结果，陆地脊椎动物和鱼类的双视锥细胞虽然进化谱系不同，但都具有椭圆形波导的横截面形态，并且在细胞器的排列上也相似，这有助于集中光传播并提供偏振敏感性。此外，双视锥细胞的阵列排列可以通过二阶神经元对同向双视锥细胞的输出进行求和或相减，从而产生更大的对比信号，增强运动感知能力。
4. 视锥细胞的进化和功能演变：研究人员结合其他研究，提出了关于视锥细胞进化和功能的新观点。他们推测古代 “原始” 脊椎动物的光感受器层由一种兼具视杆细胞（rod）和视锥细胞属性的光感受器组成，这种光感受器排列成六边形晶格，含有对长波长敏感的视觉色素。随着时间的推移，通过多种视蛋白（opsin）类型的出现以及形态和生化成分的多样化，光感受器的结构和功能变得更加复杂。双视锥细胞在硬骨鱼类中的出现似乎推动了镶嵌模式向方形镶嵌模式的转变，这主要是为了增强时空分辨率，提高运动检测能力。

研究结论和讨论部分指出，单视锥细胞是所有多视锥类型的原始细胞，六边形样镶嵌模式先于其他模式出现。这一发现为理解脊椎动物视锥细胞镶嵌模式的发育提供了一个普遍的框架，表明存在一个从单视锥细胞六边形镶嵌模式开始的通用程序。同时，研究还揭示了双视锥细胞在视觉功能中的重要作用，以及视锥细胞进化与视觉功能演变之间的关系。这些研究成果不仅有助于我们深入了解鱼类视觉系统的发育和进化，也为进一步研究脊椎动物视觉系统的多样性和适应性提供了重要的基础，为未来相关领域的研究开辟了新的方向。