《iScience》：Multimodal imaging reveals no evidence for magnetite-based magnetoreceptors in the mole-rat eye
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磁感受现象在动物界广泛存在，但其感觉机制仍未阐明。一项主流假说认为，单畴磁铁矿（single-domain magnetite）与机械敏感性离子通道相偶联。在穴居的Ansell鼹鼠（Fukomys anselli）中，这类受体被推测位于角膜或视网膜。研究人
磁感受现象在动物界广泛存在，但其感觉机制仍未阐明。一项主流假说认为，单畴磁铁矿（single-domain magnetite）与机械敏感性离子通道相偶联。在穴居的Ansell鼹鼠（Fukomys anselli）中，这类受体被推测位于角膜或视网膜。研究人员通过联合增强普鲁士蓝染色（enhanced Prussian blue staining）和同步辐射X射线荧光显微镜（synchrotron X-ray fluorescence microscopy, XFM）进行铁成像，并联合MRI定量磁化率图谱（MRI-quantitative susceptibility mapping, MRI-QSM）和量子钻石显微镜（quantum-diamond microscopy, QDM）进行磁性成像，对鼹鼠眼中的磁铁矿进行了筛选。视网膜和角膜含铁量极少，其中大部分铁与钛或铬共定位，表明其来源为非生物源性。角膜中富铁线条未显示亚铁磁性信号。MRI-QSM显示睫状体（ciliary body）具有最高的磁化率，其中鉴定出富铁色素细胞。然而，靶向透射电子显微镜（TEM）筛选未能检测到单畴磁铁矿颗粒。总之，研究人员在角膜或视网膜中未发现磁铁矿基磁感受器的证据，提示鼹鼠磁感受可能由其他组织或机制介导。
## 论文解读文章
磁感受（magnetoreception）在动物界中广泛存在，许多生物利用地磁场进行导航和定向，但其感觉细胞和潜在机制长期以来未被明确鉴定。目前，受到实验证据支持的磁感受假说主要有三类：电磁感应假说（electromagnetic induction hypothesis）、自由基对假说（radical pair hypothesis）和磁铁矿假说（magnetite hypothesis）。其中，磁铁矿假说认为，生物体内存在的单畴磁铁矿（single-domain magnetite, sd磁铁矿）晶体（Fe?O?）与细胞膜或离子通道偶联，当晶体在地磁场中发生旋转或位移时，可机械性地开启离子通道，从而产生感觉信号。Ansell鼹鼠（Fukomys anselli）是一种穴居啮齿动物，行为学实验表明其磁感应在完全黑暗中仍可运作，对磁场极性敏感，并可被短时磁脉冲干扰，这些特征与单畴磁铁矿介导的机制相符。此外，先前研究在鼹鼠角膜上皮中观察到铁颗粒，并在视网膜外核层（outer nuclear layer, ONL）中发现了类似磁小体（magnetosome）的晶体样结构，因此推测角膜或视网膜可能是磁感受器的所在部位。
然而，既往用于铁检测的经典普鲁士蓝（Prussian blue, PB）染色法存在明显局限，既无法显示磁小体链，又可能因环境铁污染或巨噬细胞中的含铁血黄素产生假阳性结果，无法判断铁的起源和磁性特性。为系统评估鼹鼠眼中是否存在磁铁矿基磁感受器，研究人员建立了一套多模态成像筛选流程，以超磁螺菌（Paramagnetospirillum magnetotacticum）作为阳性对照验证各方法对单畴磁铁矿的检测能力。
研究人员首先开发了一种TMB（3,3′,5,5′-四甲基联苯胺）增强的普鲁士蓝染色方案，该方案可清晰地将磁螺菌内的磁小体染成蓝色，且优于传统DAB增强的棕色染色，尤其适用于含有色素组织的铁筛查。在此基础上，研究人员对来自3只鼹鼠的3只眼睛的960张连续切片进行了高倍显微筛查，仅在角膜中检测到每只眼睛23±5个PB阳性颗粒，视网膜中39±17个，且这些颗粒在各层间呈随机分布，未形成任何规律性的空间排列模式，与先前报道的大量、规则排列的上皮铁颗粒团块明显不符。
为进一步确定这些铁颗粒是否为生物源性磁铁矿，研究人员利用同步辐射X射线荧光显微镜（synchrotron X-ray fluorescence microscopy, XFM）对眼睛切片进行定量元素分析。结果显示，角膜中铁密度最高的区域主要与钛（Ti）或铬（Cr）共定位，这两者均为实验室环境中的常见污染物。在角膜中检测到的40个超过阈值（相当于20个50 nm单畴磁铁矿晶体中铁含量）的颗粒中，82.5%与污染物标志物共定位；视网膜中仅检测到3个超阈值颗粒，其中1个与铬共定位，其余两个分别位于组织边缘。高分辨率XFM还显示角膜基质中存在规则的富铁线条，但这些线条的铁密度低于单畴磁铁矿阈值，且不与污染物共定位。
为探测这些角膜铁线条是否具有亚铁磁性，研究人员使用了量子钻石显微镜（quantum diamond microscopy, QDM），该技术利用金刚石中氮-空位（nitrogen vacancy, NV）色心的自旋依赖荧光来高分辨率地测绘杂散磁场。在25个视野中仅发现两个明显的磁信号，其偶极取向各异，且一个定位于组织折叠处，一个对应远大于单畴磁铁矿的结构，均提示可能为外源性污染。XFM所见的基质铁线条未显示任何亚铁磁性信号。
在组织整体尺度上，研究人员利用7特斯拉MRI系统进行定量磁化率图谱（MRI-QSM）成像，对7只鼹鼠眼睛进行20 μm各向同性分辨率的扫描。结果显示，角膜、视网膜、晶状体和脉络膜+巩膜的平均磁化率均为负值（抗磁性），而睫状体（ciliary body）为正值（28.3±41.5 ppb），显著高于其他组织，提示该处存在顺磁性或亚铁磁性物质。然而，该测量在极强磁场（~7 T）下进行，且单个体素包含了多种组织的磁信号总和，无法区分信号来源是微量但高磁性的单畴磁铁矿还是较大量低磁性的顺磁性结构。
鉴于睫状体同时具有高铁含量和高磁化率信号，研究人员以透射电子显微镜（TEM）结合能量过滤TEM（energy-filtered TEM, EFTEM）对睫状体中富铁细胞进行靶向筛选。在可清晰分辨磁螺菌磁小体的放大倍数下（8000×，像素尺寸1.5 nm），对两只动物两个切片的93个视野进行了筛查。元素图谱显示这些细胞富含铁，但铁均匀分布于电子致密的色素颗粒中，没有任何磁小体样晶体结构浓缩铁的证据。
在讨论部分，研究人员指出经典普鲁士蓝染色的灵敏度问题：在本研究中，经典PB染色无法显示磁螺菌的磁小体链，而TMB增强方案则能产生可见的蓝色沉淀，说明经典PB反应虽发生但其产物不足以被光学显微镜检出。在角膜和视网膜中发现的少数铁颗粒，其位置和与污染物共定位的情况强烈提示其为外源性污染物。睫状体中的富铁细胞更可能是富含黑色素的色素上皮细胞，因黑色素已知可结合铁，且睫状体在铁储存和转运中具有活跃作用，并非磁感受器。研究还指出，MRI-QSM和QDM检测的是整体区域的磁性信号，无法排除单畴磁铁矿被周围抗磁性组织掩盖的可能性，而QDM以亚细胞分辨率弥补了这一局限。
研究结论部分指出，本研究建立了一套适用于多种组织和物种的磁铁矿多模态筛选方法，可用于筛选夜间迁徙鸣禽眼中假定的磁铁矿-自由基对混合传感器，评估其他候选磁感受器蛋白（如IscA1），以及定量生物医学用氧化铁纳米颗粒在组织中的摄取和分布。在本研究的检测限和采样范围内，在Ansell鼹鼠的角膜、视网膜及其他眼部组织中未发现单畴磁铁矿基磁感受器的证据。此前行为学实验中通过摘除眼球或利多卡因麻醉角膜来干预磁定向的结果应谨慎解读，因为这些处理可能产生非特异性行为副作用，并影响周围组织和神经。研究人员总结认为，鼹鼠的磁感受器可能位于角膜和视网膜以外的其他组织，或者其机制并非基于亚铁磁性颗粒，这凸显了进一步研究和重新评估现有哺乳动物磁感受模型的必要性。电磁感应假说作为一种替代机制被提出，该机制不依赖光且近来在鸽子的内耳中获得了支持证据，鼹鼠是否具备相应的电感觉分子机制有待检验。
