Frmd7与Chrnb2突变小鼠中不同的视觉诱发眼动表型：水平OKR样反应缺失、垂直增强减弱及Chrnb2tm小鼠自发性水平眼振荡

《Neuroscience Research》：Distinct visually evoked eye movement phenotypes in Frmd7 and Chrnb2 mutant mice

　　

研究人员开发了一种行为记录系统，可在头部固定小鼠中独立测量水平和垂直眼动。通过系统改变刺激参数，包括两个视野中的相对运动方向（相反方向与相同方向）、空间频率和时间频率，研究人员首先确定了在野生型（WT）小鼠中稳健诱发水平和垂直OKR样眼动的最佳视觉条件。随后，研究人员使用这些优化范式比较WT、Chrnb2^tm和Frmd7^tm小鼠的眼动反应。与既往发现一致，Frmd7^tm小鼠完全缺乏水平OKR样反应，同时保留垂直眼动反应。重要的是，研究人员发现WT小鼠在双眼相反方向刺激下表现出增强的垂直眼动反应，而该增强在两种突变小鼠品系中均缺失。Chrnb2^tm小鼠在所有测试刺激条件下也未能产生水平视动样反应。引人注目的是，Chrnb2^tm小鼠在无视觉刺激时表现出显著的自发性水平眼振荡，且该振荡不能被任何视觉刺激模式消除，而WT或Frmd7^tm小鼠中未观察到此类振荡。这些发现表明，Chrnb2对于水平方向选择性回路的发育不可或缺，而该回路是水平反射性跟踪所必需的。此外，这些结果揭示了胆碱能信号障碍与眼振荡发生之间的意外联系。总之，这些结果直接将视网膜回路缺陷与其行为后果联系起来，为支持不同视觉诱发视动样眼动表型的神经机制提供了新见解。

视觉稳定性对准确感知外界至关重要。头部运动会使视网膜图像位移并造成运动模糊，因此脊椎动物进化出补偿性眼动反射，其中视动反射（optokinetic reflex, OKR）在持续视觉运动期间稳定凝视。OKR由慢速跟踪运动及随后快速重置性扫视组成。在啮齿类中，OKR可通过向头部固定动物呈现视觉光栅诱发，是研究视觉运动处理和眼动回路的常用行为。该行为依赖副视系统（accessory optic system, AOS），其接受视网膜方向选择性神经节细胞（direction-selective ganglion cells, DSGCs）的直接输入。ON型DSGCs投射至AOS核团并介导OKR，其中水平偏好ON DSGCs投射至视束核（nucleus of the optic tract, NOT）和背侧终核（dorsal terminal nucleus, DTN），垂直偏好ON DSGCs投射至内侧终核（medial terminal nucleus, MTN）。视网膜内方向选择性由星爆无长突细胞（starburst amacrine cells, SACs）向DSGCs提供的不对称抑制性和兴奋性输入产生。Frmd7与人类先天性眼球震颤相关，Frmd7^tm小鼠选择性丧失水平方向选择性，水平OKR完全缺失而垂直OKR保留。Chrnb2编码β₂-烟碱型乙酰胆碱受体（β₂-nicotinic acetylcholine receptors, β₂-nAChRs），在SACs高表达并驱动发育期视网膜波。Chrnb2^tm小鼠视网膜方向选择性严重缺陷，水平比垂直更重。但人类FRMD7突变表现为水平眼振荡，而Frmd7^tm小鼠无此振荡；Chrnb2破坏是否导致小鼠异常振荡眼动尚不清楚。为此，研究人员开发行为记录系统，独立测量头部固定小鼠水平和垂直眼动，系统改变双眼视野相对运动方向、空间频率和时间频率，确定WT中稳健诱发水平和垂直OKR样眼动的最佳条件，再比较WT、Chrnb2^tm和Frmd7^tm小鼠。结果显示，Frmd7^tm小鼠完全缺乏水平OKR样反应而保留垂直反应；WT小鼠在双眼相反方向刺激下垂直眼动增强，而两种突变体均无此增强；Chrnb2^tm小鼠在所有测试条件下均无水平视动样反应，并在无视觉刺激时表现自发性水平眼振荡，视觉刺激不能消除。这些发现表明Chrnb2为水平方向选择性回路及水平反射性跟踪所必需，并揭示胆碱能信号障碍与眼振荡的联系。

为开展研究，作者使用头部固定手术将小鼠置于平台，双侧显示器呈现分屏漂移光栅，45°热镜和CCD相机记录左眼，EyeLoop实时分析。刺激参数包括相反/相同方向、5个空间频率（0.02–0.18 cycles/°）与5个时间频率（0.15–0.35 cycles/s）组合、双眼/单眼。样本来源：WT为C57BL/6J；Chrnb2^{tm1a(EUCOMM)Hmgu}来自欧洲小鼠突变体档案库（EMMA），Frmd7^{tm1a(KOMP)Wtsi}来自Knockout Mouse Project（KOMP），分别与Sox2-Cre小鼠杂交删除目标外显子。统计采用Mann–Whitney U检验、配对t检验和Holm–Bonferroni校正；量化眼跟踪运动（eye tracking movements, ETMs）、慢相速度（slow-phase velocity, SPV）、增益及快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）功率谱。

研究结果：3.1 相反方向刺激更有效诱发OKR样眼动并揭示最佳时空频率调谐。研究人员比较相反方向与相同方向刺激，发现WT中相反方向水平（ODH）和相反方向垂直（ODV）刺激比相同方向刺激诱发更高ETMs；通过5×5时空频率矩阵，确定水平OKR样眼动最佳时间为0.30 cycles/s、空间频率为0.14 cycles/°，垂直最佳时间为0.30 cycles/s、空间频率为0.10 cycles/°。3.2 Chrnb2^tm小鼠与Frmd7^tm小鼠同样缺乏水平OKR样眼动但保留垂直反应。使用最佳参数后，WT水平刺激下瞳孔位置随时间明显变化，而Chrnb2^tm和Frmd7^tm水平轨迹平坦、无ETMs；垂直刺激下三种基因型均可检测到反应，ETMs相当。3.3 不同视觉刺激条件未能诱发Chrnb2^tm小鼠水平OKR样眼动。系统改变运动模式、25种时空频率组合及单眼/双眼刺激后，Chrnb2^tm和Frmd7^tm在所有条件下均无水平反应；WT在ODH最高、相同方向较低；垂直ODV高于相同方向垂直（SDV），三种基因型均有垂直反应，Frmd7^tm中ODV与SDV无显著差异。3.4 双眼刺激对不同基因型垂直OKR样眼动有差异影响。WT在双眼ODH下ETMs高于SDH和单眼水平，ODV下ETMs、SPV和gain高于SDV和单眼垂直；Chrnb2^tm中ODV的ETMs高于SDV，但SPV和gain无显著差异；Frmd7^tm中ODV、SDV和单眼垂直的ETMs相当，SPV和gain数值较高但未达显著。因此，WT在双眼相反方向刺激下垂直OKR样反应增强，而两种突变体未在所有指标中表现一致增强。3.5 Chrnb2^tm小鼠表现异常水平振荡眼动。无视觉刺激时，WT和Frmd7^tm水平眼位较稳定，Chrnb2^tm出现明显水平振荡，瞳孔位置空间密度图增宽，眼漂移增加；FFT显示约10 Hz节律性振荡，功率升高，WT和Frmd7^tm无此峰。垂直方向无此频带；在水平视觉刺激下振荡持续，10 Hz功率仍高，水平功率大于垂直。说明Chrnb2缺失选择性破坏水平眼动稳定性，导致高频振荡。

讨论部分：4.1 Chrnb2与视网膜DS回路。研究人员认为β₂-nAChRs对视网膜波及DS回路成熟关键，水平偏好DSGCs较垂直偏好亚型受损更重。Chrnb2^tm小鼠水平OKR样反应缺失与水平DS回路至AOS输入破坏一致；多种刺激条件测试排除了单纯刺激参数不当解释。垂直反应虽可检测，但SPV和gain降低，提示视网膜波依赖机制也参与垂直眼动正常执行。4.2 双眼刺激对垂直OKR样眼动的差异影响。WT中双眼相反方向刺激增强垂直反应，该效应呈基因型依赖：Frmd7^tm增强明显减弱，Chrnb2^tm未在所有指标一致体现。原文提出Frmd7可能参与视觉运动处理和双眼光流表征；Chrnb2^tm可能因胆碱能视网膜波依赖回路改变或水平振荡干扰垂直跟踪，但机制未定。4.3 Chrnb2^tm小鼠振荡瞳孔运动。该振荡在视觉刺激和无视觉刺激下均存在。原文提出缺失β₂-nAChRs导致发育期视网膜胆碱能信号异常，可能使ON-DSGCs异常同步或产生节律性输出，经AOS和顶盖前通路驱动节律性眼动，但直接生理证据尚缺乏。Frmd7^tm无振荡，说明仅水平方向调谐丧失不足以产生振荡，可能需要异常视网膜活动模式。人类FRMD7突变引起先天性眼球震颤，但通路可能涉及种属差异、中枢回路组织或代偿机制。局限性包括缺乏视网膜或脑干直接电生理记录、仅记录左眼、样本量适中、未评估性别差异、分屏刺激不完全再现自然全视野光流。

研究结论翻译：总之，研究人员的发现揭示Chrnb2对水平DS回路及其行为输出即水平OKR样眼动反应的发育至关重要，与Frmd7作用平行。此外，垂直OKR样反应中SPV和gain降低表明，视网膜波依赖发育机制不仅参与水平图像稳定，也参与垂直眼动反应的正常执行。双眼刺激对OKR样眼动反应的影响呈基因型依赖：WT小鼠在相反方向刺激下反应增强，而Frmd7^tm小鼠该增强明显减弱，Chrnb2^tm小鼠未在所有反应指标中一致体现。这些不同表型提示，Chrnb2和Frmd7通过部分重叠但不完全相同的机制参与视觉运动功能。此外，Chrnb2^tm小鼠自发性振荡瞳孔运动的发现识别了先前未认识的表型，为导致异常眼动行为的回路层面机制多样性提供新见解。通过将特定基因缺失与回路缺陷及不同视觉诱发OKR样眼动表型直接联系，该工作促进了对视网膜回路如何支持视觉稳定性以及其破坏如何导致不同病理表型的机制理解。