视网膜信息处理效率与行为增益的昼夜节律调控机制研究

本研究通过斑马鱼模型，揭示了视网膜双极细胞突触信息传输效率的昼夜节律变化如何调控视动反应(OMR)行为增益。研究人员发现多巴胺(D1R)和P物质(NK1R)通过"推拉"系统调节双极细胞突触的信息传输速率，当信息传输速率提高4倍时，行为对比增益增加2.4倍。该研究首次量化了视网膜计算效率与行为表现的关系，为神经信息处理与能量消耗的权衡机制提供了新见解，发表于《Current Biology》。

　　

在自然界中，动物需要根据昼夜光环境的变化不断调整视觉行为，这种适应性背后隐藏着怎样的神经机制？长期以来，科学家们知道视网膜功能会随昼夜节律变化，但视网膜信号的变化如何定量影响行为表现，以及这种调节的能量代价如何，始终是未解之谜。英国萨塞克斯大学(University of Sussex)的Patricio Simoes、José Moya-Diaz和Leon Lagnado团队在《Current Biology》发表的研究，首次建立了视网膜信息处理效率与行为增益之间的定量关系。

研究人员采用自由游动斑马鱼幼虫的视动反应(Optomotor Response, OMR)行为分析、双光子活体成像技术、药理学干预和信息论分析等方法开展研究。通过闭环行为实验系统记录不同昼夜时段斑马鱼对运动光栅的反应；利用iGluSnFR荧光报告基因实时监测双极细胞突触的谷氨酸释放；注射多巴胺D1受体和P物质NK1受体的激动剂/拮抗剂调控视网膜功能；最后运用信息论方法量化突触信息传输效率与行为表现的关系。

视网膜功能与行为表现的昼夜比较
研究发现斑马鱼在下午时段(p.m.)的OMR行为强度比上午(a.m.)增强1.7倍，而对比敏感度(C_1/2=31%)保持不变。通过iGluSnFR成像发现，双极细胞突触在下午的量子释放率(4.3±0.3 vesicles/cycle)显著高于上午(2.7±0.3 vesicles/cycle)，同时自发放电噪声从上午的3.6±0.4 vesicles s^-1降至下午的0.8±0.3 vesicles s^-1。

神经调节机制验证
通过药理学实验证实，OMR的昼夜变化主要由视网膜而非运动系统驱动。注射D1受体拮抗剂SCH23390或P物质可分别抑制或增强视网膜信号传递，且这种影响局限在注射眼，对侧眼和顶盖区信号不受影响。行为学分析显示，游泳转向角度不随昼夜变化，说明运动指令映射机制保持稳定，行为增益变化源自视网膜信息处理环节。

信息传输效率与行为增益的定量关系
研究建立了三个关键指标：最大对比增益(MCG)、Fano因子(突触反应变异性)和互信息(信息传输速率)。发现行为MCG与突触MCG无显著相关，但与Fano因子呈负相关(P_r=-0.84)。最重要的是，OFF双极细胞突触的信息传输速率与行为MCG呈线性相关(P_r=0.97)，信息速率提高4倍可使行为增益增加2.4倍。

视网膜效率的昼夜调控机制
研究发现双极细胞突触在下午处于更高信息效率状态，每个囊泡传输的信息量比上午高2-4倍。这种效率提升与多巴胺和P物质的调节作用相互独立，代表视网膜在不同昼夜时段采用不同的计算策略：上午侧重能量节省，下午优先保证行为表现。

这项研究首次在自然光照范围内(而非仅阈值附近)量化了视网膜噪声对行为表现的限制作用，建立了从突触信息传输到行为输出的完整定量关系。发现视网膜通过切换不同效率的计算状态来平衡能量消耗与行为需求，为理解神经计算的能量约束提供了新视角。多巴胺和P物质构成的"推拉"调节系统可能普遍存在于其他感觉系统中，为研究内部状态对感知行为的调控机制提供了范式。未来研究可进一步探索视网膜效率调控的分子基础及其在进化中的意义。