耶鲁大学医学院（YSM）的科学家们近日取得一项突破性发现，揭示了眼部处理视觉信息的方式远比此前认知更为复杂。这项研究颠覆了长期以来关于视网膜视觉通路独立运作的传统观念。
当我们观察一个场景时，视觉系统会迅速将不同的特征，如颜色、对比度和运动等，进行分离并独立处理。这一被称为并行视觉处理（parallel visual processing）的机制，对于大脑快速解读周围世界至关重要。
长期以来，科学家们普遍认为这种视觉信息的分离始于视网膜，并在信息通过整个视觉系统传输过程中保持不变。然而，一项发表在顶级期刊《Neuron》上的最新研究指出，这些通路之间的互联程度远超以往的认知。研究人员推测，这种通路间的整合可能显著提升眼睛检测微弱视觉信号的能力，例如在昏暗光线下所遇到的情况。
该研究的第一作者、耶鲁大学医学院眼科学与视觉科学系的博士后研究员姚雪（Yao Xue）博士表示：“我们发现，虽然不同的通道能够传递各自的视觉特征，但它们也通过潜在的电回路相互连接。”
视觉的起点是视网膜中的视杆细胞和视锥细胞，这些特化的感光细胞负责探测光线，并将信息传递给下一级神经元——双极细胞。在双极细胞内部，与亮度、颜色、形状和对比度等因素相关的视觉信息被进一步细分为十多种并行通路。
当研究团队仔细检查双极细胞的突触（细胞间进行信息交流的结构）时，他们发现了这些通路并非完全独立的证据。
神经元通过两种主要类型的突触进行交流：化学突触和电突触。化学突触依赖于神经递质在细胞间传递信号，而电突触（又称间隙连接）则允许信号通过电流直接传递。此前，人们普遍认为双极细胞主要通过化学突触进行交流。
然而，研究人员惊人地发现，在小鼠和人类视网膜中，许多此前被认为是独立存在的双极细胞通路，实际上通过电突触相互连接。当他们刺激单个双极细胞时，由此产生的神经递质释放并未局限于该细胞的特定通路。相反，信号扩散到一个更广泛的网络中，形成了弥散的、云状的活动模式，清晰地揭示了不同类型双极细胞之间广泛的交流。
该研究的首席研究员、马文·L·西尔斯眼科学与视觉科学教授周志明（Z. Jimmy Zhou）博士指出：“当我们刺激一个双极细胞时，许多双极细胞都会释放神经递质。”
研究人员进一步鉴定出一种特定的双极细胞类型——BC6细胞，它似乎在协调这种活动中扮演着关键角色。这些BC6细胞能够产生强大的信号，并以有组织的层级结构在并行通路中传播。“人们曾认为不同类型的双极细胞或多或少是自主运作的，”周志明博士解释说，“但我们发现所有这些细胞类型中存在一个‘驱动者’，它构建了一个具有层级结构的复杂网络。”
尽管独立的通路能够让双极细胞高效处理视觉信息的不同方面，但它们之间的电连接在信号微弱时可能提供重要的优势。
该研究的共同通讯作者、耶鲁大学医学院眼科学与视觉科学系研究科学家李承勋（Seunghoon Lee）博士阐述道：“如果信号本身已经非常微弱，再被分割成几个通道，那么每个通道可供处理的信息就所剩无几了。这种整合机制对于检测低对比度信号或来自非常微小物体的信号尤其有用。”
姚雪博士补充说：“这些细胞并非以随机方式进行协作。它们内部有一个‘指挥官’——BC6细胞——引导它们将信号传递给下游目标。”
为了深入探究双极细胞的回路机制，研究团队结合了多种实验方法。这包括追踪细胞活动和神经递质信号的成像技术，以及刺激双极细胞并记录相邻细胞反应的方法。
研究双极细胞极具挑战性，因为它们深埋于视网膜内部。在许多以往的研究中，研究人员通常需要切片视网膜组织才能接触到这些细胞，但这一过程可能会破坏正常的回路结构。而在这项研究中，团队创新性地采用了双膜片钳技术（dual patch-clamp technique）在完全完整的小鼠视网膜上进行实验。该方法利用电极精确刺激特定的双极细胞，并测量其连接细胞的反应，从而在不破坏生理环境的前提下，揭示了细胞间的精细互动。周志明博士对此表示赞叹：“世界上没有其他实验室能够系统性地完成这类记录。这是姚雪博士论文工作中的一项壮举，将创新方法与卓越的电生理学技能完美结合。”
随后，研究人员通过病理学系的“遗赠组织捐赠计划”获得了人类视网膜，并重复了上述实验。据该团队称，这是首次在完整人类视网膜中进行此类实验，其结果进一步证实了小鼠模型中的发现，极大地增强了研究结论的普适性和临床转化潜力。
鉴于视网膜是中枢神经系统的一部分，深入理解其如何处理视觉信息，有望为整个大脑的神经回路功能提供更广泛的洞察。此外，这些发现也可能帮助研究人员更好地理解影响视网膜功能的多种疾病，包括黄斑变性、青光眼和先天性夜盲症等。
这项研究还强调了好奇心驱动的基础研究在揭示基本生物学机制方面的重要价值。
李承勋博士总结道：“我们的实验并非始于一个特定的假设，但却揭示了视觉系统的一个基本处理机制。这再次提醒我们，好奇心驱动的研究对于科学发现是何等重要。”