人类光感受器功能新见解：多样化刺激下光视网膜成像反应的建模研究

研究人员针对视网膜疾病功能评估的临床需求，通过自适应光学全场扫频OCT（AO-FF-SS-OCT）平台，建立了量化光视网膜成像（ORG）反应的四参数模型（A0 、A1 、τa 、τb ），揭示了锥细胞对单次闪光、配对闪光及背景光适应的动态响应规律，为视网膜疾病生物标志物开发提供了新工具。

　　

在视网膜疾病诊疗领域，传统功能检测方法如视野检查、视觉诱发电位（ERG）存在主观性强、空间分辨率低等局限，而结构成像技术如光学相干断层扫描（OCT）难以直接反映神经元功能状态。这一"结构-功能鸿沟"严重制约了黄斑变性（AMD）、视网膜色素变性（RP）等致盲性疾病的早期诊断和治疗评估。近年来，光视网膜成像（optoretinography, ORG）技术的兴起为破解这一难题带来曙光——通过测量光刺激引发的纳米级光感受器形态变化，实现了结构与功能的同步观测。然而，如何量化这些微小且复杂的生物物理响应，建立普适性数学模型，成为推动ORG临床转化的关键瓶颈。

针对这一挑战，加州大学戴维斯分校的研究团队开发了自适应光学全场扫频OCT（AO-FF-SS-OCT）成像平台，结合创新数学模型，首次系统揭示了人类锥细胞光反应的动态特征。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，通过分析两名健康志愿者在多样化刺激下的光感受器反应，构建了包含早期收缩（A₀
）、伸长（A₁
）和晚期收缩（τ_b
）的四参数模型，为理解光转导（phototransduction）与视觉循环（visual cycle）的分子机制提供了全新视角。

研究团队运用三项核心技术：1）AO-FF-SS-OCT系统（轴向分辨率4.6 μm，帧率400 Hz）实现单细胞级动态追踪；2）565 nm LED刺激系统精确控制光漂白水平（1%-64%）；3）基于相位敏感干涉的亚纳米级光学路径长度（ΔOPL）测量算法。通过单闪光、配对闪光（ISI 15-300 ms）和背景光适应（10⁶
photons/μm²
/s）三类实验范式，采集锥细胞外节（OS）的力学响应数据。

单闪光反应特征
模型ΔOPL(t)=u(t)[A₀
+A₁
(-e^-τ_a
·t
+e^-τ_b
·t
)]完美拟合三阶段响应：10 ms快速收缩（A₀
=-54.6 nm）、数百毫秒伸长（A₁
=502.3 nm）和数秒缓慢收缩（τ_b
=0.07 s^-1
）。值得注意的是，A₀
和A₁
分别遵循米氏方程（R²

0.85）和剂量依赖性增长，而τ_a
在2%漂白时出现峰值，提示光转导效率可能存在阈值效应。

配对闪光非线性叠加
双4%漂白闪光的最大伸长（150 nm）等效于单次8%闪光，但收缩幅度呈现ISI依赖性衰减——当间隔15 ms时，第二次收缩幅度衰减超50%。脉冲串实验进一步证实，连续刺激会导致响应逐渐湮灭于噪声中，这种"光适应"现象为理解视网膜的瞬时编码机制提供了新证据。

背景光适应效应
10秒背景光暴露（3.1×10⁶
photons/μm²
/s）引发线性伸长（斜率11.97 nm/s），同时使闪光反应的A₀
和A₁
分别降低约30%，表明持续光照会显著改变光感受器的机械特性。

这项研究的意义在于：1）建立了首个定量描述人类锥细胞光机械响应的数学模型，其参数（如A₀
反映早期受体电位，τ_a
关联渗透压调节速率）可能对应特定分子机制；2）揭示了光刺激的时空整合规律，为设计临床检测方案提供理论依据；3）开发的AO-FF-SS-OCT方法实现了单细胞分辨率的功能成像，空间分辨率（5.2 μm）远超传统ERG。尽管目前样本量较小，但该模型已展现出与AO-SLO、相位速度OCT等技术的兼容性，未来通过多中心验证，有望成为视网膜疾病功能评估的新标准。正如作者Pandiyan等强调的，这种"光学活检"技术或将革新AMD基因治疗的效果监测范式，在不可逆视力丧失前捕捉细微的功能异常。