圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2017.09.005。
2017年10月3日/
生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國波士頓兒童醫院的研究人員描述了我們能夠檢測環境中的整體光照程度的一種意想不到的方式。他們發現眼睛視網膜中的神經元分工協作，從而使得特定的神經元經過調節對不同的光照強度範圍作出反應。相關研究結果於2017年9月28日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「A Population Representation of Absolute Light Intensity in the Mammalian Retina」。
論文資深作者、波士頓兒童醫院F.M. Kirby神經生物學中心的Michael Do博士說，「隨著地球轉動，光照的亮度在多個數量級（從星光到大白天）之間變化。你如何建立一個涵蓋如此廣泛範圍的感官系統？它似乎是一個簡單的問題，但是我們發現這個問題的答案遠比預期中的要複雜得多。」
不同於視網膜中主要用來檢測形體和運動的視杆細胞和視錐細胞的是，專門用來檢測「非圖像（non-image）」視覺的其他感光神經元，被用來設置我們的生物鐘，調節睡眠和控制激素水平。這些神經元被稱作M1神經節感光細胞（M1 ganglion cell photoreceptors），即便在那些失明的人身上也能發揮作用。
論文第一作者Elliott Milner設計出新的方法來研究這些M1細胞的電輸出。這允許更好地理解這些細胞從眼睛發送到整個大腦中的區域的這些電信號。
Milner說，「根據之前的研究，人們的期望是這些細胞發出的信號僅會隨著光照亮度的增加而增加，而且它們之間的平均信號強度將衡量整體的光照強度。」
但是Milner和Do發現儘管這些M1細胞似乎在視覺上彼此之間無法區分，但是它們經調節對不同的光照水平作出反應，而且當這些光照水平發生變化時，它們輪流向大腦發出信號。因此，大腦依據這些活躍的細胞的身份獲得光照強度方面的信息，而不僅僅是信號大小。
Milner說，「一些M1細胞在黃昏時發出強烈的信號，而另一些M1細胞在大白天發出強烈的信號。總之，這些M1細胞覆蓋了環境中的範圍廣泛的光照強度。」
利用一種「病態」現象有趣的是，這些M1細胞的輪流系統使用一種通常被認為異常的或病態的機制，即去極化阻斷（depolarization block）。去極化阻斷通常是在癲癇等某些疾病中觀察到的。
當光照水平上升時，M1細胞中的一種被稱作黑視蛋白（melanopsin）的蛋白捕獲越來越多的光子。這會導致細胞膜電壓變得更為正向，也就是「去極化」。隨著細胞膜電壓變得更為正向，這些M1細胞產生更多的電峰值（也稱為動作電位），即發送到大腦中的信號。
在去極化阻斷中，當細胞膜電壓變得太過於正向時，細胞喪失了產生電峰值的能力。Do說，「存在如此多的神經興奮以至於細胞無法跟上而保持沉默。」
這些M1細胞似乎利用這一特性獲得優勢。Milner和Do認為這個系統可能經過進化而有助大腦基於哪些細胞在「交談」而不僅僅基於它們的整體信號量，更加精確地區分光照水平。這也可能保存能量。
Do解釋道，「從代謝角度而言，細胞產生電峰值是非常昂貴的。鑑於當一些細胞被激活時，其他的細胞保持沉默，這個系統以更低的能量成本提供信息。」
在未來的研究中，Milner和Do希望研究下面的問題：
（1）大腦如何從這些細胞中提取出光照水平方面的信息？大腦的特定區域如何傾聽一些M1細胞而不傾聽其他的M1細胞？
（2）不同的M1細胞如何在視網膜上分布？比如，不同的視網膜部分如何接收來自不同方向的光線，因此M1細胞在空間上如何分布，可能影響人們針對季節性情緒失調（seasonal affective disorder）等疾病開發光治療系統。
（3）其他的參與感官知覺的細胞，比如允許我們感知氣味或觸摸的那些細胞，也是使用這種去極化阻斷機制嗎？
Do說，「最重要的是，神經細胞要比我們之前想像的更加複雜，而且以我們沒有預料到的方式進行分工協作。即使在被認為非常簡單的系統中，如被用來檢測光照強度的系統，我們也獲得有令人吃驚的發現。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：Elliott Scott, Michael Tri Hoang Do. A Population Representation of Absolute Light Intensity in the Mammalian Retina. Cell, Published online: September 28, 2017, doi:10.1016/j.cell.2017.09.005