生物学家揭开视网膜细胞的古老起源

虽然脊椎动物视网膜细胞类型的数量差异很大，但大多数似乎都有一个共同的起源。KarthikShekhar和他的同事从波士顿屠夫那里收集牛和猪的眼睛时，引起了一些人的注意，但这些眼睛--最终来自包括人类在内的17个不同物种，这为脊椎动物视网膜的进化提供了见解，并可能为人类眼疾带来更好的动物模型。

视网膜就像是一台微型计算机，包含各种类型的细胞，它们共同处理视觉信息，然后将信息传输到大脑的其他部分。谢卡尔先前的研究表明，小鼠视网膜上就有种细胞。研究人员对视网膜上的多种细胞类型进行了比较分析，得出的结论是，大多数细胞类型都有着古老的进化历史。这些细胞类型在分子水平上的差异为它们的功能以及如何参与构建我们的视觉世界提供了线索。

视网膜细胞在不同物种中的显著保留表明，大约2亿年前，所有哺乳动物的最后共同祖先在地球上漫游时，其视网膜的复杂程度可以与现代哺乳动物的视网膜相媲美。事实上，有明显迹象表明，其中一些细胞类型可以追溯到4亿多年前所有脊椎动物（即哺乳动物、爬行动物、鸟类和有颌鱼）的共同祖先。

自4亿多年前有颌脊椎动物起源以来，小鼠和人类等脊椎动物物种的视网膜保存得非常完整。这幅图显示了人类和小鼠视网膜细胞的相似之处，包括"侏儒"视网膜神经节细胞（MGC）的导通和断开。图片来源：HugoSalais，西班牙MetazoaStudio

这项研究成果于12月13日发表在《自然》（Nature）杂志上，作为10篇论文的一部分，报告了BRAIN计划细胞普查网络创建成年小鼠大脑细胞类型图谱的最新成果。第一作者是加州大学伯克利分校谢卡研究组的化学与生物分子工程研究生约书亚-哈恩（JoshuaHahn）。这项工作是与哈佛大学约书亚-萨尼斯小组的合作成果。

脊椎动物视觉中的惊人发现

这些发现令人吃惊，因为不同物种的脊椎动物视觉差异很大。鱼类需要看到水下，老鼠和猫需要良好的夜视能力，而猴子和人类则进化出非常敏锐的日间视力用于狩猎和觅食。有些动物能看到鲜艳的色彩，有些动物则满足于看到黑白世界。

研究人员总结说，然而，许多细胞类型在一系列脊椎动物物种中是共享的，这表明定义这些类型的基因表达程序很可能可以追溯到有颌脊椎动物的共同祖先。

例如，研究小组发现，一种细胞类型--负责我们看到精细细节的能力的"侏儒"视网膜神经节细胞，并不像人们认为的那样是灵长类动物所独有的。通过使用统计推断方法分析大规模基因表达数据，研究人员发现了侏儒细胞在所有其他哺乳动物中的进化对应物，尽管这些对应物的比例要小得多。

"我们看到的是，被认为是灵长类特有的东西显然并不独特。它是一种细胞类型的重塑版本，这种细胞类型可能非常古老，"加州大学伯克利分校化学与生物分子工程助理教授谢卡尔说。"早期脊椎动物的视网膜可能极其复杂，但其部件清单在此后的所有物种中都得到了使用、扩展、重新利用或翻新。编"

无独有偶，谢卡尔在加州大学伯克利分校的一位同事、验光学院的特雷莎-普苏瑟里（TeresaPuthussery）上个月在《自然》（Nature）杂志上报告说，另一种被认为在人类眼睛中已经消失的细胞类型--一种负责凝视稳定的视网膜神经节细胞仍然存在。Puthussery和她的同事们利用谢卡尔以前合著的一篇论文中的信息，选择了有助于在灵长类动物视网膜组织样本中识别这种细胞类型的分子标记。

脊椎动物眼睛的相似之处

从某种意义上说，这些发现并不完全令人惊讶，因为脊椎动物的眼睛也有类似的结构：光由感光器检测到，感光器将信号传递给双极细胞、水平细胞和羊膜细胞，这些细胞又连接到视网膜神经节细胞，然后神经节细胞将结果传递给大脑视觉皮层。谢卡尔利用新技术，特别是单细胞基因组学技术，在从视网膜到视觉皮层的视觉系统中同时检测数千到数万个神经元的分子组成。

由于脊椎动物中已识别的视网膜细胞类型数量差异很大--根据谢卡尔及其同事以前的研究，人类约有70种，而小鼠则有种--这些不同细胞类型的起源一直是个谜。

谢卡尔说，新研究发现的一种可能性是，随着灵长类动物大脑变得越来越复杂，灵长类动物开始减少对眼睛内部信号处理的依赖，而更多地依赖视觉皮层的分析。因此，人类眼睛中的分子独特细胞类型明显减少。

人类视网膜的进化

谢卡尔说："我们的研究表明，人类视网膜在进化过程中可能已经将执行复杂视觉计算的细胞类型与基本上只是向大脑传输相对未经处理的视觉世界图像的细胞类型进行了交换，这样我们就可以利用这些细胞类型做更复杂的事情。我们放弃了速度，换来了精细。"

研究小组新绘制的各种脊椎动物视网膜细胞类型的详细图谱有助于人类眼部疾病的研究。谢卡尔的研究小组还在研究青光眼的分子特征，青光眼是世界上导致不可逆失明的主要原因，在美国则是仅次于黄斑变性的第二大常见失明原因。

然而，虽然小鼠是研究青光眼最受欢迎的模型动物，但它们却很少有对应的侏儒视网膜神经节细胞。这些细胞类型只占小鼠神经节细胞总数的2%到4%，而人类90%的视网膜神经节细胞都是侏儒细胞。

谢卡尔说："这项工作具有重要的临床意义，因为归根结底，侏儒细胞可能才是我们最应该

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