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视觉流（optic flow）——当动物运动时，视觉场景在视网膜上形成的大规模运动模式——是控制眼球和身体运动以维持平衡和稳定视线的重要信息。对于侧眼动物（如斑马鱼），区分旋转和水平移动的视觉流模式至关重要。然而，参与这一计算的特定神经元类型及其连接方式一直不清楚。2026年4月17日发表于 Nature Communications 的一项研究中，日本国立遗传学研究所和理化学研究所脑科学中心的团队开发了一种名为 CaMPARI-seq 的新技术。该方法结合了可光转换的钙指示剂 CaMPARI2 和单细胞RNA测序（scRNA-seq），能够在斑马鱼幼虫中特异性地标记功能性神经元，并对其进行转录组分析。利用该方法，他们鉴定出一个表达 tcf7l2 的前顶盖神经元簇，进一步将其分为分子上不同的亚群。通过体内钙成像和细胞消融，他们发现表达 nkx1.2lb 的前顶盖神经元是一类抑制性连合神经元，特异性地介导视动反应（optomotor response, OMR），但不参与视动性眼球震颤（optokinetic response, OKR）。该研究展示了CaMPARI-seq在解析复杂行为神经环路中的强大能力。

研究亮点速览

1. 技术开发（CaMPARI-seq）：将核定位的CaMPARI2与单细胞RNA测序结合，可特异性地标记和收集在特定视觉刺激（运动中）下活跃的神经元，并进行转录组分析。

2. 前顶盖分子图谱：鉴定出一个表达 tcf7l2 的神经元簇，该簇覆盖了前顶盖中大多数对视觉流有反应的细胞。进一步聚类将其分为7个转录组亚型。

3. 形态与功能分离：

   • mafaa+神经元：位于前顶盖外侧，突起局限在局部，特异性对单眼颞侧（temporalward）运动起反应。

   • nkx1.2lb+神经元：位于前顶盖内侧，其轴突通过后连合（posterior commissure）投射至对侧，反应类型多样（覆盖大多数视觉流反应类型）。

4. 行为验证：

   • 使用交叉遗传策略（nkx1.2lb-Gal4； tcf7l2-Cre）特异性消融前顶盖中的nkx1.2lb+神经元。

   • 结果：OMR（平移视觉流诱导的趋流行为）显著受损，而OKR（旋转视觉流诱导的眼球震颤）不受影响。

5. 结论：前顶盖中抑制性连合神经元（nkx1.2lb+）是专门处理平移视觉流以产生OMR的关键节点；而OKR可能由局部环路（如mafaa+神经元）处理。

背景：视觉流处理与神经环路

视觉流的两种模式：

• 旋转（Rotation） ：如顺时针/逆时针旋转，主要引发OKR（眼球稳定反射）。

• 平移（Translation） ：如向前/向后移动，主要引发OMR（身体朝向运动方向趋流）。

前顶盖（Pretectum） ：是视觉流处理的关键中枢，接收来自方向选择性视网膜神经节细胞（DS-RGC）的输入，并投射至下游运动区域。

未解决问题：

• 尽管已知前顶盖中存在多种对视觉流有反应的神经元类型，但哪些分子定义的神经元亚型负责OKR或OMR，一直不清楚。

• 缺乏特异性的遗传工具来操控这些亚型。

本研究的创新：

• 开发CaMPARI-seq，将功能性标记（谁对视觉流有反应）与分子分型（这些活跃细胞表达哪些基因）结合起来。

• 建立多个基因特异性Gal4敲入系，实现对特定前顶盖亚群的遗传操控。

核心结果解析

1. CaMPARI-seq：从功能到分子

原理：

• CaMPARI2：一种钙依赖性光转换蛋白。在神经元活动（Ca²⁺内流）存在下，用紫外光（405 nm） 照射可使荧光从绿色不可逆地转换为红色。

• 核定位信号：研究者将CaMPARI2与核定位信号融合，使其富集在胞体核内，避免在后续细胞解离过程中因突起丢失而衰减信号。

实验流程：

1. 转基因品系：Tg(elavl3:NLS-CaMPARI2) 在大多数神经元中表达核定位的CaMPARI2。

2. 视觉刺激+光转换：在移动光栅（模拟视觉流）或静止光栅（对照）刺激下，用紫外光照射。

3. 荧光激活细胞分选（FACS）：收集红色（活跃的） 细胞。

4. 单细胞RNA测序：对活跃细胞进行转录组分析。

差异分析：通过计算移动/静止细胞比例指数（MS指数），鉴定富集于移动条件下的细胞簇。其中，一个高表达tcf7l2的簇（cluster 5），同时表达前顶盖标记物pax7a、tal2、gata3，且大多数细胞为GABA能抑制性（gad1b+， 80.5%）。

2. tcf7l2+神经元覆盖大部分视觉流反应类型

钙成像验证：

• 品系：Tg(tcf7l2-hs:Gal4FF);Tg(UAS:GCaMP6s)

• 发现：tcf7l2+神经元几乎涵盖了之前在泛神经元标记（elavl3:H2B-GCaMP6s）中观察到的所有主要反应类型，包括：

  • 单眼方向选择性（Monocular DS）

  • 平移选择性（Translation-selective， 如BEL， BER）

  • 旋转选择性（Rotation-selective）

• 空间分布：单眼DS细胞位于对侧半球；平移选择性细胞分布于双侧半球，与前顶盖双侧整合的功能一致。

3. 亚群鉴定：mafaa与nkx1.2lb的功能与形态分化

亚群聚类：

• 对tcf7l2+簇进一步聚类，得到7个转录组亚型，分别表达不同的标记基因（如mafaa、nkx1.2lb、npy、penkb、cart2、sst1.1、irx1a）。

• 原位杂交（HCR） 显示，这些基因在前顶盖中呈现空间上不重叠的分布模式，表明转录组亚型对应解剖上不同的细胞类型。

mafaa+神经元（外侧群） ：

• 形态：位于前顶盖外侧（M1区），突起局限在局部（不跨越中线），与DS-RGC的终末区（AF5/6）重叠。

• 功能：钙成像显示，mafaa+神经元仅对单眼颞侧运动（时空）起反应，对应于之前定义的MoTL/MoTR类型。

• 推测：可能参与OKR（旋转视觉流的处理），但尚未直接验证。

nkx1.2lb+神经元（内侧群） ：

• 形态：位于前顶盖内侧，轴突通过后连合（pc） 投射至对侧前顶盖。

• 功能：钙成像显示，nkx1.2lb+神经元反应类型多样，覆盖了大多数视觉流反应类型（包括单眼DS、平移选择、旋转选择等）。

• 性质：大多数为GABA能抑制性（gad1b+）。

4. 特异性消融：nkx1.2lb+神经元选择性损害OMR

交叉遗传消融策略：

• 品系：Tg(nkx1.2lb-hs:Gal4FF); Tg(UAS:loxP-epNTR-mScarlet); Tg(tcf7l2-hs:Cre)

• 逻辑：仅在同时表达nkx1.2lb和cre（即位于tcf7l2+前顶盖区域）的细胞中表达硝基还原酶（epNTR）。给予前药甲硝唑（Mtz），可特异性杀死这些细胞。

结果：

• OKR（旋转） ：消融后无显著变化。

• OMR（平移） ：消融后，鱼群在平移光栅刺激下游泳距离显著缩短。进一步运动学分析显示，消融鱼虽保持了基本游泳能力，但方向性计算受损（左右不对称更频繁），而对“逼近”刺激（looming）的反应正常。

• 钙成像验证：在消融鱼中，平移选择性神经元的数量显著减少，而单眼DS神经元数量不变。

机制模型：前顶盖中分离的OKR与OMR环路

整合先前模型与本研究的更新：

模型要点：

• 旋转视觉流的处理可能主要依赖于前顶盖外侧M1区的局部环路（如mafaa+），这些神经元不需要跨半球投射，仅需整合同侧眼的信息。

• 平移视觉流的处理则需要左-右半球的信息比较。nkx1.2lb+抑制性连合神经元可能通过以下方式实现：

  • 接收对侧眼的运动信号（可能是通过来自对侧DS-RGC的间接输入）。

  • 抑制同侧前顶盖中编码“相反方向”的神经元。

  • 从而在双侧产生一致的“向前”或“向后”的运动指令，驱动身体定向游动。

CaMPARI-seq的方法学优势

本研究的成功关键：

• 核定位CaMPARI2：确保信号在细胞解离中保留。

• 精确的驱动线：针对tcf7l2、mafaa、nkx1.2lb的敲入驱动系，实现遗传标记和操控。

• 交叉遗传消融：解决了nkx1.2lb在其他脑区也有表达的难题，实现了前顶盖特异性消融。

临床与进化意义

1. 视觉引导行为的神经基础：该研究揭示了脊椎动物大脑如何利用特定的细胞类型来分离计算旋转和平移视觉流。这种分离可能是进化保守的，类似机制可能存在于哺乳动物的副视系统（accessory optic system）和视前顶盖中。

2. 神经环路设计原则：抑制性连合神经元是跨半球比较（双侧整合）的高效方式，这在听觉定位（上橄榄核）和双眼视差中也有体现。本研究在运动控制的视觉流处理中再次印证了这一原则。

3. 新技术平台：CaMPARI-seq可以广泛应用于任何有行为范式、可通过钙活动标记的神经元群体（如记忆痕迹细胞、恐惧反应细胞等），大大加速了“功能-分子图谱”的绘制。

局限性与未来方向

作者与资助

• 通讯作者：尚未在摘要中明确列出，该工作由日本国立遗传学研究所和理化学研究所脑科学中心合作完成。

• 资助：未在摘要中提及。

论文信息

原文标题：Molecular and functional dissection using CaMPARI-seq reveals the neuronal organization for dissociating optic flow-dependent behaviors
作者：团队合作（详见原文）
期刊：Nature Communications, 17, 3411 (2026)
DOI：10.1038/s41467-026-71371-6
开放获取：CC BY 4.0

BIOGUIDER.COM 编辑按：
这项研究完美演示了如何将功能标志物（CaMPARI2）、高通量单细胞测序和精准遗传学整合到一个框架中，以解决一个具体的神经环路问题：视觉流处理。CaMPARI-seq 方法可以推广到其他感觉系统、认知行为和疾病模型中，帮助我们从“哪些神经元是功能相关的”过渡到“这些神经元是哪些分子类型，以及如何操控它们”。对于斑马鱼视觉神经科学领域，该研究提供了一个宝贵的前顶盖细胞类型图谱和一套新的遗传工具（Gal4敲入系）。下一步，结合多电极阵列记录和闭环光遗传，有望实时解析nkx1.2lb+抑制性连合神经元如何在两个半球之间动态地调控OMR。

专业术语快速索引

• CaMPARI-seq：结合钙依赖性光转换蛋白（CaMPARI）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）的技术。

• 视觉流 (Optic flow)：动物移动时，视觉场景在视网膜上形成的大规模运动模式。

• 视动反应 (OMR)：动物身体朝向视觉流运动方向移动的行为，由平移视觉流触发。

• 视动性眼球震颤 (OKR)：眼球跟随旋转视觉流缓慢移动并快速回撒的行为。

• 前顶盖 (Pretectum)：处理视觉流的中脑区域。

• 后连合 (Posterior commissure)：连接两侧前顶盖的连合纤维束。

• 抑制性连合神经元：投射至对侧半球的GABA能神经元。