斑马鱼视觉系统中双眼整合猎物刺激的神经机制研究

本研究通过可逆性单眼遮蔽技术和大规模双光子成像，首次在斑马鱼前顶盖（Pt）、丘脑（Thal）和峡核（NI）中发现双眼猎物响应神经元（bino-PRNs）。这些神经元通过整合双眼视觉输入和运动指令信号，为猎物距离估算和捕食行为提供三维空间编码，揭示了脊椎动物双眼视觉进化的潜在神经基础。

　　

在自然界中，捕食者如何通过双眼视觉精准定位猎物一直是神经科学领域的核心问题。尽管哺乳动物视皮层已发现双眼神经元，但其进化起源和底层神经机制仍不明确。斑马鱼幼虫作为研究视觉行为的理想模型，具有独特的双眼会聚捕食策略——平时双眼分视广角环境，捕食时快速会聚形成重叠视野。然而，这种动态视觉转换的神经编码机制，特别是双眼信息如何整合为三维空间感知，始终是未解之谜。

香港科技大学的研究团队在《Current Biology》发表的研究，通过创新性实验设计揭示了这一过程的关键神经机制。研究者开发了可逆单眼遮蔽装置，结合大规模容积双光子成像技术，首次在斑马鱼前顶盖、丘脑和峡核鉴定出特异性响应双眼猎物刺激的神经元群体。这些发现不仅阐明了脊椎动物双眼视觉的进化保守性，更为理解空间感知的神经计算原理提供了新视角。

研究主要采用四大关键技术：1）可调节眼罩装置实现单眼/双眼选择性遮蔽；2）大规模容积双光子钙成像（500×500×100μm）记录全脑神经元活动；3）光遗传学刺激（920nm双光子全息激活）结合行为追踪；4）转基因品系（lhx9:Gal4和KalTA4u508）特异性标记神经元亚群。实验使用6-8日龄斑马鱼幼虫，通过眼球会聚（4.5°）作为捕食行为标志。

双眼猎物响应神经元的发现
通过比较单眼遮蔽与双眼开放条件下的神经活动，研究在前顶盖、丘脑和峡核鉴定出三类神经元：仅响应对侧眼输入的mono-contra神经元、仅响应同侧眼的mono-ipsi神经元，以及响应双眼输入的bino-PRNs。其中bino-PRNs具有显著特征：其左右眼感受野存在10°-50°的空间偏移，这种偏移在自然捕食中对应猎物距离0.2-1.29mm——恰为斑马鱼发动攻击的最佳范围。

功能特异性验证
刺激特异性实验显示bino-PRNs专一性响应移动UV点（猎物模拟物），而对全视野运动或明暗变化无反应。层级聚类分析进一步确认它们属于独立的功能集群（Cluster 2），表明其专门参与猎物检测而非一般视觉处理。

运动指令整合机制
行为关联分析揭示bino-PRNs在捕食试次中的响应强度显著高于非捕食试次（48%神经元存在显著增强）。通过双标记光遗传学实验，研究者发现激活前顶盖捕食命令神经元（KalTA4u508+）可诱发bino-PRNs活动，证实其接收来自运动系统的放电信号（corollary discharge）。这种视觉-运动信号的整合，可能为眼球会聚角度提供反馈，实现基于三角测量的距离估算。

遗传标记与行为调控
转基因筛选发现lhx9:Gal4品系特异性标记bino-PRNs。光遗传激活该群体可诱发对称性前进游动（与KalTA4u508+神经元诱导的转向运动不同），峡核bino-PRNs的损毁则导致捕食动作对称性降低，表明其参与将猎物定位于中央视野后的接近阶段。

这项研究首次绘制了脊椎动物双眼视觉通路的完整神经图谱，揭示前顶盖-丘脑-峡核通路通过整合双眼视差与运动信号，实现猎物三维定位的算法。其创新性体现在三方面：1）发现进化保守的双眼整合神经元群体；2）阐明视觉-运动信号协同编码空间距离的机制；3）建立转基因工具（lhx9:Gal4）用于精准操控该通路。这些发现不仅为理解人类立体视觉障碍提供新线索，更为仿生视觉算法的开发带来启示——通过模拟bino-PRNs的感受野偏移设计，可优化机器人目标测距系统。研究同时留下重要科学问题：双眼信号在突触水平的整合机制，以及不同偏移量神经元如何协同构建空间地图，将是未来探索方向。