Slit2/Robo1信号通路通过调控视网膜方向选择性环路维持视动反射的生态学优势不对称性

本研究针对视动反射(OKR)方向不对称性的调控机制，揭示了Slit2/Robo1信号通路在视网膜方向选择性神经环路中的关键作用。研究人员通过基因敲除模型发现，缺失Slit2或Robo1会增强OKR增益并减少垂直方向不对称性，证明该通路通过调控ON方向选择性神经节细胞(oDSGCs)的突触可塑性和轴突投射，精细调节图像稳定行为。这项研究为理解视觉运动感知的神经机制提供了重要见解，对相关运动障碍疾病具有潜在临床意义。

　　

在动态的视觉环境中，动物需要精确的图像稳定机制来应对自身运动产生的光学流。视动反射(optokinetic reflex, OKR)作为一种古老的视觉反应，通过眼球的补偿性运动来减少视网膜滑动，这种反射在动物界中高度保守。特别值得注意的是，OKR表现出显著的方向不对称性：对向上和向前运动的反应较强，而对向下和向后运动的反应较弱。这种不对称性被认为有助于优先处理与前进运动相关的主要光学流模式，同时衰减次要的视觉信息。然而，这种方向不对称性是如何在神经环路水平被精确调控的，长期以来一直是视觉神经科学领域的重要问题。

ON方向选择性神经节细胞(ON direction-selective ganglion cells, oDSGCs)作为OKR的起始点，能够对缓慢视觉运动产生方向选择性反应，并将信息传递到附属视系统(accessory optic system, AOS)以指导眼动输出。虽然前人的研究已经描述了特定oDSGC亚型的产生及其在视网膜和脑内的连接建立，但关于如何精确调控oDSGC突触特性以建立对视动反射增益的视网膜控制的特定机制，仍然知之甚少。

发表在《Current Biology》的这项研究，通过综合运用转录组学分析、基因工程小鼠模型、在体行为学记录、脑透明化成像、免疫组织化学、荧光原位杂交和电生理学技术，系统揭示了Slit2/Robo1信号通路在调控oDSGC环路功能和OKR行为中的关键作用。

研究人员首先通过分析P5视网膜神经节细胞(RGCs)的转录组图谱，发现Robo1基因在oDSGCs中特异性高表达。进一步的分析表明，Robo1在所有三种主要的oDSGC亚型( superior、inferior和forward)中均有表达，且这种表达特异性在从啮齿类到灵长类再到人类的多种哺乳动物中都高度保守。同时，研究人员发现Robo1的经典配体Slit2在ON星爆无长突细胞(starburst amacrine cells, SACs)中的表达水平显著高于OFF-SACs，而ON-SACs正是与oDSGCs直接相互作用的关键中间神经元。

为了研究Slit2/Robo1信号通路的功能，研究人员构建了Robo1条件性基因敲除小鼠( Pcdh9-Cre; Robo1^fl/fl)，并利用已有的Robo1全身敲除(Robo1^-/-)和SAC特异性Slit2条件性敲除(ChAT-Cre; Slit2^fl/fl)小鼠进行实验。通过记录这些突变小鼠的OKR反应，研究人员发现所有三种突变体都表现出OKR增益的显著增加，特别是在垂直方向上，正常的向上偏向不对称性明显减少，使得垂直OKR反应变得更加对称。这种行为学的增强主要表现在原本较弱的向下反应增强到与向上反应相似的水平，而所有突变体仍保持精确的方向选择性反应。

在神经解剖学层面，研究发现Robo1对于oDSGC轴突向内侧终核(medial terminal nucleus, MTN)的精确投射至关重要。Robo1^-/-全身突变体表现出严重的MTN结构破坏，包括背侧MTN(dMTN)的显著减少和vMTN投射轴突的异常延伸。相比之下，视网膜特异性Robo1敲除和SAC特异性Slit2敲除小鼠的MTN形态变化较为轻微，表明Slit2/Robo1信号在视网膜内具有额外的调节功能。

通过分析视觉刺激后MTN中c-Fos的表达，研究人员发现ChAT-Cre; Slit2^fl/fl突变体在响应垂直方向刺激时，MTN的神经活动显著增强。向上刺激时dMTN活动增加，向下刺激时vMTN活动增加，这与观察到的OKR行为增强相一致。

在视网膜环路水平，研究人员通过病毒逆向标记和单细胞电生理记录技术，发现SAC特异性Slit2缺失并不引起oDSGC树突形态的显著变化，但会导致兴奋性突触后密度蛋白PSD-95 puncta数量和密度的显著增加。电生理记录进一步证实，Slit2突变体中的oDSGCs对方向运动刺激表现出更强的放电反应和更大的调谐曲线，尽管它们仍保持方向选择性。

本研究的主要技术方法包括：利用单细胞RNA测序技术分析视网膜神经节细胞的转录组特征；通过杂交链式反应(HCR)荧光原位杂交验证基因表达模式；构建基因工程小鼠模型(包括Robo1全身敲除、视网膜特异性Robo1条件敲除和SAC特异性Slit2条件敲除)；采用头固定系统记录小鼠的视动反射行为；应用脑透明化和光片显微镜技术观察视网膜神经节细胞的轴突投射；使用免疫组织化学和病毒逆向标记技术分析神经元形态和突触分布；通过细胞贴附式记录技术测量方向选择性神经节细胞的电生理特性。

研究结果表明，Slit2/Robo1信号通路通过两种不同的机制调控oDSGC功能：一方面，Robo1通过经典的轴突导向机制调节oDSGC轴突向MTN的精确投射；另一方面，SAC来源的Slit2通过Robo1受体调节oDSGC树突上的兴奋性突触形成和/或稳定性，从而精细调控oDSGC的反应强度。这种双重调控机制共同确保了OKR反应的适当增益和方向不对称性。

从讨论角度来看，这项研究的发现具有重要意义。Slit2/Robo1信号作为一种调节机制，通过限制感觉输入的大小来控制运动感觉的强度。这种调节机制的缺失会导致方向信息的过度传导，增加下游AOS神经元的激活，从而产生过度的眼动反应。研究揭示的这种恒定衰减机制对于产生适当的行为反应、减少对生态学上不显著运动感知的反应，以及在感觉输入水平优先处理重要的视觉线索都至关重要。

值得注意的是，Robo1在oDSGCs中的特异性表达在哺乳动物视网膜中具有系统发育上的保守性，从啮齿类到灵长类再到人类都高度一致。最近的研究发现，人类ROBO1隐性错义变异与先天性眼震的孤立病例相关，患者仅表现为双侧水平眼震而无其他神经系统症状。由于其他病理状况(如X连锁婴儿眼震)也与方向选择性环路 disruption相关，类似的ROBO1介导的调节机制缺失可能解释了眼震的病理机制。

综上所述，这项研究不仅揭示了Slit2/Robo1信号通路在调节视觉运动感知神经机制中的新功能，也为理解相关运动障碍疾病的发病机制提供了新的视角。研究人员发现Slit2/Robo1信号通过细化ON方向选择性神经节细胞突触来限制视动反射，并保护生态学上有利的方向不对称性。这些发现揭示了视网膜运动检测如何有利地影响眼动幅度以实现生态学相关性，为未来开发相关视觉运动障碍的治疗策略提供了重要的理论基础。