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視覺神經研究 或解哺乳類動物夜視之謎

2018/9/14 — 15:55

資料圖片:Chris Roe , Unsplash

資料圖片:Chris Roe , Unsplash

無論是人類,還是其他哺乳類動物,都擁有一定程度的夜視能力。因為夜視對於動物而言,是保命的重要工具之一。問題是,究竟夜視能力是從何以來?

一般哺乳類動物的眼睛視網膜上,都擁有視桿細胞 (rod cell) 。視桿細胞可在極暗環境之下,仍可測量到光子 (photon) 存在。視桿細胞能透過中間的神經節細胞 (ganglion cell) ,再將視覺訊號傳至腦部處理。

其中,方向選擇神經節細胞 (direction-selective ganglion cell) 就專門測量動態移動,感應物件移動的方向。它們只會在感應到物件向特定方向移動時,才會變得活躍。傳回的訊息,將幫助腦部決定應該是逃走、避開,還是無需移動。研究人員較想知道的,是這種神經節細胞在黑暗中會如何運作。

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杜克大學神經科學家 Greg Field 的研究隊伍取出小鼠視網膜樣本,將其置於帶有電極的玻璃片上,由此收集上面過百個神經元的活動訊號。為了令視網膜持續運作,研究人員亦將玻璃片浸泡在氧化溶液之中。

為了解神經元對於具方向性物件的反應,研究人員向視網膜展示了一般簡單的影片。影片只是一條帶狀物不斷移動。由於影片會釋出光線,所以視網膜上的神經元也會有反應。之後,研究人員再將影片光暗度逐步下調,直至影片下調至「月光下亮度」。研究人員發現,四種方向選擇神經節細胞中,三種毫無反應。不過,第四種對向上移動敏感的方向選擇神經節細胞則對影片有反應,並且對不同方向都有反應。

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但為甚麼突然這種細胞變得「多功能」?研究人員再利用電腦模擬技術分析原因,發現這種細胞會放棄其方向特定性,令整體視覺表現有所提升,由此令方向選擇神經節細胞更易在低燈環境下辨識出環境中的動態活動。

研究人員就更感疑惑,那方向選擇神經節細胞怎樣「改變功能」呢?此前曾有研究指出,細胞之間的間隙連接 (gap junction) 能讓不同化學訊號在神經元之間傳送,並且與夜視能力相關。研究人員由此入手,直接利用基因改造技術,令這種細胞不再與其他細胞連接。他們發現,失去間隙連接的上移感應神經節細胞無法再適應黑暗環境。因此,研究人員相信夜視能力需依賴神經元之間的間隙連接。

比起小鼠的 20% ,人類方向選擇神經節細胞只佔神經節細胞的 4%,但此研究仍然有助科學家研發出新方法,針對這種細胞,為失明人士帶回部份「人工視覺功能」。 

來源:
Science, How humans—and other mammals—might have gotten their night vision, 13 September 2018

報告:
Yao, X., Cafaro, J., McLaughlin, A.J., Postma, F.R., Paul, D.L., Awatramani, G. & Field, G.D. (2018). Gap Junctions Contribute to Differential Light Adaptation across Direction-Selective Retinal Ganglion Cells. Neuron, Published Online. DOI: 10.1016/j.neuron.2018.08.021

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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