基于小鼠视觉与昼夜节律光感受器的实验动物照明精细化机遇

《Animal Welfare》：Seeing the world through the eye of a mouse: Opportunities for refinement in laboratory animal lighting

　　

光是环境的基本要素，使动物能够感知视觉刺激并对视觉刺激作出反应，同时调节生理与行为中的昼夜节律。研究人员对介导视觉的视杆细胞和视锥细胞已有充分了解，过去25年的研究还发现了另一种视网膜光感受器，该光感受器调节昼夜节律及许多其他非视觉过程。该光感受器由一小部分表达蓝光敏感蛋白黑视素（melanopsin）的内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs）构成。为应对人类对光的视觉反应与昼夜节律反应的差异，相关标准已引入基于所涉及不同光感受器的照明单位。相比之下，实验动物设施的照明仍基于人类视觉而非动物的体验。最新指南首次提供了基于实验物种（如小鼠（Mus musculus））不同视觉敏感度来测量光的工具。本文概述了为何这一点对科学和动物福利均至关重要，以及研究人员和动物护理人员如何在工作中应用这些新方法。这首次为基于动物对其光环境的体验优化照明提供了精细化机遇。

一、研究背景与问题

光是环境的基本要素，不仅提供视觉感知，还调节昼夜节律、睡眠和激素等广泛生理过程。然而，实验动物设施的照明标准长期基于人类视觉敏感度制定，而非动物自身的视觉与昼夜节律系统。人类视网膜含有三种视锥细胞（红、绿、蓝），峰值敏感度分别约为558 nm、530 nm和419 nm，其综合敏感度曲线V(λ)峰值位于555 nm附近；而小鼠仅有两种视锥细胞——对绿光敏感的M视锥细胞（λ_max = 508 nm）和对紫外光敏感的S视锥细胞（λ_max = 360 nm），且无中央凹，视觉 acuity 较差。因此，针对人类视觉优化的人工白光光源对小鼠而言在光谱构成和感知亮度上均存在显著差异。此外，过去25年的研究鉴定出第三类视网膜光感受器——表达蓝光敏感蛋白黑视素（melanopsin）的内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs），其峰值敏感度约480 nm，在调节昼夜节律、瞳孔收缩、睡眠、情绪等非视觉过程中发挥关键作用。由于人类与小鼠在这些光感受器上的差异，以人类视觉为基础的光度量单位（如photopic lux）无法准确反映小鼠实际体验到的光环境，这既影响动物福利，也可能导致行为学实验的可重复性问题。

二、研究内容与意义

针对上述问题，研究人员基于2024年发布的实验哺乳动物照明测量与标准化指南，系统阐述了如何依据小鼠视网膜五种光感受器（视杆细胞、M视锥细胞、S视锥细胞及黑视素）的已知光谱敏感度，计算小鼠特异性α-opic等效日光照明（EDI）值。该体系参照国际照明委员会（CIE）2018年采纳的人类α-opic EDI标准，将每种光感受器的激活程度以等效日光照明lux值表示。对小鼠而言，可计算四种α-opic EDI值——rod-opic、M-cone opic、S-cone opic和melanopic EDI。由于小鼠视杆细胞、M视锥细胞和黑视素的峰值敏感度相近（约480–510 nm），这三项数值通常非常接近；而紫外敏感的S视锥细胞在多数人工光源下激活极低。该测量体系首次使研究人员能够以动物自身感受为基础量化光环境，为优化实验动物照明提供了科学工具。

三、关键技术方法

研究人员主要采用以下关键技术方法：一是分光光度计（spectrophotometer）测量，可获取光谱各波长的功率分布并计算全部四种小鼠α-opic EDI值，是最精确的方法，适用于以光为主要刺激物的视觉与昼夜节律生物学研究；二是melanopic EDI测量仪，因人类与小鼠黑视素光谱敏感度相似，可用人类melanopic EDI近似估算小鼠melanopic EDI；三是photopic lux测量结合转换系数（M:P比值）的近似方法，已知光源的melanopic:photopic比值后可将常规lux读数转换为melanopic lux，经验证该近似法与校准分光光度计结果偏差在16%以内。研究还列举了日光（M:P = 1.00）、荧光灯（M:P = 0.53）、白炽灯（M:P = 0.44）、冷白LED（M:P = 0.65）和暖白LED（M:P = 0.59）等常见光源的转换比值。

四、研究结果

小鼠看到什么？ 通过比较人类与小鼠视网膜视觉色素的光谱敏感度曲线，研究人员发现小鼠视觉向短波长方向偏移——对红光敏感度降低、对紫光/紫外光敏感度增高，且视觉 acuity 较差，小鼠所见的景象模糊且色彩偏紫。

光还影响哪些其他反应？ 研究发现ipRGCs除调节昼夜节律外，还参与瞳孔收缩、睡眠、情绪、发育甚至疼痛感知等多种非视觉生理和行为反应，这些细胞在人类和非人灵长类中同样存在并发挥类似功能。

如何兼顾视觉与昼夜节律光反应？ 研究人员介绍了α-opic EDI体系：在日光条件下，各光感受器特异性lux值与photopic lux值一致，因此α-opic EDI可理解为达到同等光感受器激活所需的日光photopic lux值，该体系能精确描述光源对每种光感受器的激活程度。

能否以同样方式测量小鼠的光？ 基于小鼠视网膜光感受器的已知特性，可计算四种小鼠α-opic EDI值。研究发现不同光源即使photopic lux相同，对小鼠的感知亮度也差异巨大——例如470 nm蓝光LED与625 nm红光LED对人类视觉亮度相同，但按melanopic敏感度计算，蓝光对小鼠的亮度是红光的3430倍。此外，模拟日光只需使四种α-opic EDI值相等即可实现。

应使用何种光度计？ 研究比较了三种测量途径：分光光度计最精确且能获得全部四种小鼠α-opic EDI值；melanopic EDI测量仪可用人类版本近似；photopic lux结合M:P比值转换是最简便的近似方法。

可采取哪些实际措施优化小鼠照明？ 研究建议日常饲养中白天光照应大于10 lux melanopic EDI，夜间应小于0.1 lux melanopic EDI；光照应从笼内而非桌面高度测量；应提供封闭 shelters 或充足筑巢材料使小鼠能够躲避或调节光暴露。

何种光类型最优？ 研究指出由于小鼠S视锥细胞对紫外光敏感，可用405 nm紫光LED补充标准白光LED以实现S-cone opic激活；未来紫光泵浦LED可能同时为人类和小鼠模拟日光。

动物福利与伦理问题有哪些？ 研究引用证据表明笼位位置影响光暴露进而改变小鼠活动模式；小鼠在可躲避光时会主动将每日光暴露减少至1小时以内；模拟曙暮光渐变可改变小鼠活动起始时间。不适当的光强度被列为五域模型（Five Domains model）中负面的、不可避免的物理条件，无法逃避光照对每年全球数百万只实验小鼠构成显著应激源。

五、讨论与结论

讨论部分强调，从物种视角理解光环境对实验小鼠科学与福利均具有重要意义。研究建议在设施设计或更换灯具时考虑α-opic EDI测量；行为学任务中应考虑动物实际光体验以减少变异来源；应避免过度标准化导致的"局部真理"，而应通过实验设计中的光照水平平衡来减少系统性偏差。关于红光使用的常见误解被澄清——小鼠并非看不见红光，只是敏感度较低，夜间工作用红光应低于0.1 melanopic EDI，可选用680 nm红光LED实现。研究结论指出，光对实验小鼠生理和行为具有深远影响，但以往常被忽视；基于动物已知视觉与昼夜节律反应的新测量指南，首次使研究人员能够以小鼠自身体验来测量光环境，为科学研究、日常饲养和动物福利提供了众多精细化机遇。