《Nature Neuroscience》从视网膜出发，49 种 GABA 信号打破神经认知 “坚冰”

Functionally distinct GABAergic amacrine cell types regulate spatiotemporal encoding in the mouse retina

在神经系统研究中，GABA 作为主要抑制性神经递质，其神经元功能多样性尚不明晰。为探究此问题，研究人员对小鼠视网膜进行研究。通过实验，揭示超 40 种 GABA 释放神经元类型，它们在视觉编码中功能各异。这一成果强调了 GABA 能神经元在中枢神经系统中的重要性。

　　

在神秘的神经系统世界里，γ- 氨基丁酸（GABA_A）就像一把神奇的 “钥匙”，它是哺乳动物中枢神经系统中主要的抑制性神经递质，在神经信号处理过程中扮演着关键角色。然而，这把 “钥匙” 究竟如何精准地开启神经功能的 “大门”，人们却知之甚少。比如，GABA 能神经元在神经处理和神经系统疾病病因学中至关重要，但对于其功能多样性，科学界还缺乏全面深入的理解。在脊椎动物的视网膜这个 “小天地” 里，GABA 能神经元同样发挥着不可替代的作用，参与视觉信号的处理。但由于细胞种类繁多，且缺乏有效的基因靶向研究工具，众多 GABA 能信号的具体功能特性依旧隐藏在重重迷雾之中。

为了驱散这些迷雾，来自丹麦奥胡斯大学、日本国立遗传学研究所、美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们以 8 - 16 周龄的雄性和雌性小鼠为研究对象，对小鼠视网膜展开了深入研究。研究结果犹如一道道曙光，照亮了这个神秘的领域。研究人员发现，小鼠视网膜中存在 49 种功能不同的与无长突细胞相关的 GABA 信号，噪声相关性分析显示，这些信号由 44 种不同的无长突细胞类型产生。这一发现意义非凡，它让人们对 GABA 能神经元的功能多样性有了全新的认识，为理解神经系统的工作机制提供了关键线索，该研究成果发表在《Nature Neuroscience》杂志上。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是双光子成像技术，利用 GABA 传感器 iGABASnFR2 对小鼠视网膜内丛状层（IPL）的 GABA 释放进行成像，获取了大量关于 GABA 信号的信息。其次是无监督聚类分析，对 GABA 释放类型进行聚类，从而发现不同的细胞类型。此外，还通过映射感受野和投射野，以及运用计算模型，深入探究 GABA 信号的功能多样性。实验中的小鼠样本来自多个品系，包括野生型小鼠（C57BL/6J）、ChAT - IRES - Cre 小鼠等。

下面来详细了解一下研究结果。

• 视网膜内功能分化的 GABA 信号：研究人员通过玻璃体内注射携带 iGABASnFR2 的腺相关病毒（AAV2/9 - hSyn1），标记无长突细胞和视网膜神经节细胞，并对 GABA 信号进行双光子成像。使用稀疏主成分分析（PCA）和高斯混合模型分析 GABA 信号，发现了 49 个功能不同的组。这些组在方向选择性、对光的反应类型（ON、OFF 或 ON - OFF）、感受野大小等方面存在差异，且在视网膜内丛状层各亚层呈现出特定的分布，这表明 GABA 信号在视网膜内具有功能分化。

• 小鼠视网膜中的 44 种功能性 GABA 能组：基于不同轴突终端共享内在生物噪声模式的原理，研究人员通过计算噪声相关性，将感兴趣区域（ROI）分配到不同的细胞集合中。分析发现，成像的 ROI 中总共包含 44 种功能性无长突细胞类型，其中 41 种细胞具有单一的释放波形，另外 3 种在不同的 IPL 深度呈现出多样的波形。

• 方向选择性细胞类型：研究识别出了包括 3 个 ON 组、1 个 ON - OFF 组和 3 个 OFF 组在内的方向选择性细胞类型。通过基因标记和分析，确定了部分方向选择性细胞类型与已知的细胞类型（如 ON 和 OFF 星爆无长突细胞（SACs））的对应关系。此外，还发现了一些新的方向选择性细胞类型，它们与 SACs 信号无相关性，且具有较大的感受野，可能对应于 TTX 敏感的多轴突宽场无长突细胞。研究还指出，这些方向选择性细胞类型的产生机制可能与从 SACs 接收的胆碱能输入、双极细胞的间接作用、兴奋性突触活动的时空组织或空间分离的输入和输出有关。

• 视觉特征在特定 IPL 中的编码：通过主成分分析（PCA）对视觉刺激编码的突出特征进行表征，研究发现 49 个组中的 30 个（61%）足以稳健地编码所有六种视觉特征，包括方向选择性、方向敏感性、运动 / 闪光偏好、速度调谐、对比度调制响应和时间频率调制响应。并且，不同的 IPL 亚层对不同的视觉特征更为敏感，这表明单个无长突细胞在不同的 IPL 亚层中编码视觉刺激的特定方面。

• GABA 信号的差异分区：研究人员发现，不同的无长突细胞类型在突触输入和输出位点的分区上存在差异。例如，一些细胞的投射野相对于感受野存在偏移或方向偏好，且这种偏移和偏好沿视网膜主轴线排列。相比之下，谷氨酸能信号的投射野则没有这种多样性，这表明 GABA 在哺乳动物视网膜中比谷氨酸更能使信号处理途径多样化。

• 无长突细胞对视觉运动的异质性过滤：研究人员构建了一个计算模型来模拟光诱发的反应，发现无长突细胞对突触后细胞的调制效果受运动刺激速度和无长突细胞功能特性的影响。不同的细胞组对不同的运动速度进行调谐，涵盖了从眼球慢漂移到快速扫视等各种行为背景下的运动速度。

在研究结论和讨论部分，研究人员发现了许多之前未被描述的无长突细胞类型，包括具有非典型长潜伏期的细胞、非 SAC 方向选择性细胞和具有多路输出的细胞类型，这极大地丰富了人们对无长突细胞的认识。研究还揭示了 GABA 释放的方向和方向特异性的潜在机制，为进一步理解视觉信息处理提供了理论基础。此外，GABA 信号在视觉处理中的功能贡献也得到了深入探讨，其在不同视网膜层的特异性信息处理、对侧向抑制的影响以及在自然行为中的作用等方面都有着重要意义。不过，该研究也存在一定的局限性，例如 iGABASnFR2 可能检测到生理上不相关的 GABA 信号，且研究仅在 IPL 的单层进行成像和噪声相关性分析，可能会高估细胞类型的数量。但总体而言，这项研究为理解 GABA 能神经元在视网膜中的功能多样性和视觉信息处理机制提供了重要的依据，为后续相关研究开辟了新的方向，让人们在探索神经系统奥秘的道路上又迈出了坚实的一步。