明亮的灯光，不那么大的瞳孔

约翰霍普金斯大学的一组神经科学家研究出了一些新发现的眼睛光传感器是如何探测光线并与大脑交流的。该报告于本周在网上发表自然．

这些光传感器是视网膜中含有黑视蛋白分子的少量神经细胞。与视网膜杆和视网膜锥的传统感光细胞不同，含有黑视素的细胞不用于观看图像;相反，它们通过监测光线水平来调节生物钟，控制眼睛瞳孔的收缩，以及其他功能。

“这些含有黑视素的细胞是哺乳动物中除了视杆细胞和视锥细胞之外唯一已知的感光细胞，问题是，‘它们是如何工作的?’”霍普金斯大学神经科学博士后Michael Do博士说。“我们想了解一些基本信息，比如它们对光的敏感性，以及它们与大脑的交流。”

研究小组首先用老鼠测试了这些细胞的光敏感度，方法是用闪光灯照射细胞，并记录一个细胞产生的电流。他们发现，与视杆细胞相比，这些细胞对光非常不敏感，视杆细胞非常敏感，因此，例如，我们可以在夜间昏暗的光线下看到东西。根据杜教授的说法，含有黑视素的细胞比负责日光下视力的视锥细胞更不敏感。

下一个问题是，是什么让它们对光如此不敏感?也许他们捕获的每一个光子都会引出一个微小的电信号。那么就必须要有明亮的光来提供大量被捕获的光子——这样的信号大到足以影响大脑。另一种可能是这些细胞捕获光子的能力很差，”Do说。

为了弄清楚这一点，研究小组用微弱的光照射细胞。由于光线太暗，平均而言，每个细胞中只有一个黑视蛋白分子被捕获光子激活。他们发现，每一个被激活的黑视蛋白分子都会触发一个巨大的电信号。此外，令他们惊讶的是，细胞将这个单光子信号一路传输到大脑。

然而，这些细胞产生的大信号似乎与它们对明亮光线的需求不一致。霍普金斯大学神经科学教授邱金伟(King-Wai Yau)博士说:“我们认为它们可能需要这么多的光，因为每个细胞可能也含有很少的黑视素分子，从而降低了它们捕获光子的能力。”当他们进行计算时，研究小组发现，黑视素分子比其他用于图像形成视觉的光捕捉分子稀疏5000倍。

“这些细胞似乎捕捉到的光很少。然而，一旦被捕获，光就会非常有效地产生一个大到足以直接进入大脑的信号，”邱说。“这种信号也非常慢，所以它不是用来检测环境光的非常短暂的变化，而是随着时间的推移而缓慢变化。”

出于对这些细胞如何影响行为的好奇，研究人员检查了老鼠的瞳孔收缩，这些老鼠经过基因改造，失去了杆状和锥体功能，以便专注于仅由含有黑视素的细胞产生的活动。研究小组用闪光灯照射坐在黑暗中的老鼠，测量它们瞳孔收缩的程度。他们发现，平均来说，大约500个光激活的黑视蛋白分子足以引发瞳孔反应。“但是要激活500个黑视素分子需要大量的光，”邱说。“因此，只有在明亮的光线下，瞳孔才能最大限度地闭合。”

邱说:“在控制瞳孔和生物钟方面，有一个反应缓慢的传感器是有意义的，它只对较大的光线变化做出反应。”“你不会希望你的身体认为天空中掠过的每一朵云都是夜幕降临。”

“这些含有黑素的细胞向大脑的许多不同部位发出光信号，驱动不同的行为，从设置生物钟到影响情绪和运动，”Do说。“我想知道这些信号是如何被处理的，以及它们在季节性情感障碍和时差反应等疾病中是否异常——这是我们下一步希望解决的问题。”

在网络上:
neuroscience.jhu.edu/KingWaiYau.php
neuroscience.jhu.edu/
www.nature.com/nature/index.html

资料来源:约翰·霍普金斯医疗机构

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