视网膜细胞的功能由大自然的全景环境塑造

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图1、小鼠眼睛中的自然统计信息图示

现有的视觉系统神经科学模型认为：视觉系统像相机一样呈现其所看到的外部世界，以相似的方式编码不同位置的物体。然而，动物的周围环境不断发生变化，这些变化有可能对视觉信息的处理过程产生影响。

奥地利科学技术研究所和德国LMU的研究人员最近收集了支持这一假设的证据，并表明小鼠视网膜中的神经元组织确实受到全景（即广角）视觉统计数据（例如光照强度的不均匀性）的影响。他们的研究结果发表在《自然神经科学》上，可以极大地促进目前对视觉系统及其进化的理解。

“生命的一个关键特征是适应其环境以生存，”进行这项研究的研究人员之一Maximillian Jösch告诉医学快报（Medical Express）。 “这种适应也应该发生在大脑所进行的计算中，例如提取相关的信息并忽略不太相关的信息。我们通过在自然界中被系统地研究过的、最典型的视觉变化来验证这个想法：我们利用从地面转换到天空的光照强度和对比度变化，研究小鼠的视觉系统是否已经进化到足以包含这些变化的程度。”

为了检查在小鼠观察一个场景时小鼠视网膜中哪些神经元（感受场）被激活并构成一个感知空间，Jösch和他的同事开发了一种新的光学成像技术。这种技术使他们能够同时测量和跟踪单个视网膜中数千个神经元的活动。

图2、左：视网膜神经元被染成红色的小鼠视网膜 右：视觉性能随视角变化发生的改变

“我们的光学方法的工作原理如下：当一个视网膜神经元被激活，它将向大脑发送电脉冲，同时钙离子开始在细胞内流动，” Jösch解释说。”我们可以通过在每个神经元中添加荧光指示剂来可视化该活动。当钙流入时，荧光会发生变化。荧光的这些变化可以用灵敏的相机记录下来，这样，我们可以推断神经元如何对整个视网膜上的不同视觉刺激做出反应。”

研究人员对提取的小鼠视网膜进行了实验。像大多数哺乳动物一样，小鼠视网膜不包括称为中央凹的小区域。中央凹是视网膜中的一个小凹陷，允许人类和其他灵长类动物以高清看到。中央凹占整个人类视网膜的不到1%，但是在人类更清醒的视觉感知中起着关键作用。其余99%的人类视网膜也有助于视觉感知，其中许多似乎是无意识的过程。因此，从以人为本的角度来看，本研究侧重于后99%/发生的处理过程。

Jösch和他的同事发现，小鼠视网膜中神经元进行的计算随着白天看到的全景视觉统计数据的变化而改变。这支持了他们最初的假设，即视觉系统本质上不是同质的，而是与外部环境相适应的。

“令我们惊讶的是，当出现意外的刺激时，视网膜神经元有更大的可能通知大脑的其余部分，” Jösch说。 “重要的是， 这个刺激是否意外取决于神经元究竟是看向哪里，天空还是地面。因此，视网膜回路将系统地调整它们从低视野到高视野的性能，以更加有效地呈现外在的世界。”

图3、小鼠视网膜和绿色的视觉神经元

总体而言，该研究小组的结果表明，自然场景的全景结构会影响视网膜不同区域所采用的不同处理策略的组织关系。这个结果扩展了现有的视觉系统模型，突出了其适应性和动态性。

“我们通常假设视觉系统是同质的，或者换句话说，视觉世界像相机一样呈现出来，以相似的方式测量每个位置，”Jösch补充道。“然而，我们的自然环境并不相似；它们以整体的方式从地面变为天空。因此，一个在自然界中生存并进化的生命系统应该考虑这一点。我们的研究结果表明，生物体的视觉系统已经适应了自然约束，以提高其神经元代码的效率。“

Jösch团队的这项工作可能会激励其他团队进一步研究全景统计或其他视觉元素如何塑造视网膜中的细胞组织，以完善我们对视觉的整体理解。

“我们现在正在探索类似的适应过程在环境发生变化时将如何改变，例如在白天和晚上的不同光照水平之间切换时将如何改变。”Jösch补充道。

更多信息：Divyansh Gupta等人，全景视觉统计塑造视网膜范围的感受野组织，《自然神经科学》（2023）。DOI： 10.1038/s41593-023-01280-0

（本站转自phys.org）

王TT

又一次感叹生命真的好神奇