视觉丘脑中方向与朝向选择性的差异拓扑组织及视网膜遗传机制解析

本研究针对视觉信息处理中方向选择性(DS)与朝向选择性(OS)神经回路的起源问题，通过结合在体Neuropixels记录、视网膜多电极阵列(MEA)技术和星爆无长突细胞(SAC)特异性消融模型，系统解析了小鼠外侧膝状体(dLGN)各亚区(壳区、核心区、腹侧区及膝状体间小叶)的功能组织规律。研究发现dLGN壳区DS反应完全依赖视网膜DS神经节细胞(DSRGC)输入且呈现与平移光流动力学匹配的拓扑分布，而OS反应则独立于SAC功能，并发现屏幕边缘刺激可动态诱导OS响应。该研究揭示了视觉丘脑特征选择性的分层处理机制，为理解视觉通路信息转换提供了新视角。

当我们观察移动的物体时，大脑如何精准分辨运动方向和物体轮廓？这个看似简单的视觉能力，背后隐藏着复杂的神经计算机制。在视觉通路的起点——视网膜中，特定的神经细胞能够检测运动方向，这些信息经过丘脑中的外侧膝状体(dLGN)中继后传递至大脑皮层。然而，长期以来科学家们对dLGN是否简单传递视网膜信息还是主动参与特征提取存在争议。特别是方向选择性(DS)和朝向选择性(OS)这两种基本视觉特征在dLGN中的组织原则和形成机制仍不明确。

发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上的这项研究，通过先进的多通道记录技术和精准的细胞消融模型，系统揭示了小鼠视觉丘脑中DS和OS的差异组织规律。研究人员发现dLGN壳区中的DS反应完全依赖于视网膜DS神经节细胞(DSRGC)的输入，并呈现出与动物自身运动产生的光流场相匹配的拓扑分布。而OS反应则独立于视网膜星爆无长突细胞(SAC)的功能，并发现其可被视觉刺激与屏幕边缘的相对位置动态调制。这些发现挑战了关于丘脑简单中继视网膜信息的传统观点，揭示了视觉特征处理在丘脑阶段的复杂性和特异性。

研究团队主要运用了以下几种关键技术方法：通过Neuropixels高通量探针进行小鼠在体dLGN多单元记录，结合视网膜多电极阵列(MEA)离体记录分析视网膜神经节细胞功能特性；利用ChATCre; iDTR转基因小鼠模型进行眼内白喉毒素(DT)注射特异性消融星爆无长突细胞(SAC)；采用全视野噪声刺激和移动光栅系统表征神经元感受野和调谐特性；通过免疫组化验证SAC消融效率；开发算法重建神经元的视觉空间拓扑分布并模拟光流动力学。

dLGN中DS和OS显示不同的组织模式

研究发现dLGN中DS和OS单元的感受野分布遵循不同原则。dLGN壳区的DS单元在小鼠视野中央稀少，但在单眼视野周边丰富，且偏好方向呈现向后-下方的梯度分布。特别值得注意的是，DS偏好方向随视野高程变化而系统变化，这种拓扑变异与小鼠平移运动时产生的光流场动力学高度匹配。当小鼠向前奔跑时，其视线会自然对齐地平线，此时dLGN壳区中的DS细胞能够被光流运动最大化激活。

相比之下，OS单元的组织模式有所不同。研究发现大多数OS单元的感受野靠近屏幕边缘，且其偏好朝向与屏幕边缘平行。这种边缘诱导的OS响应是一种动态编码原理，独立于先天的视网膜拓扑组织，可能在早期视觉处理阶段编码刺激的显著性。即使在麻醉状态下，这种边缘检测机制仍然存在，表明它是小鼠视觉系统的基本属性。

朝向选择性与轴选择性的区别

由于轴选择性(AS)反应的对称性，它们常与OS反应难以区分，尽管它们编码的特征不同。传统理论认为，如果两个具有相反偏好方向的DSRGC汇聚到一个LGN神经元上，可能会产生AS反应。然而，本研究通过对对照和SAC消融小鼠的记录比较发现，两组中AS/OS单元的比例相似，表明LGN中的OS反应并非主要来源于DSRGC的汇聚。研究人员因此将这些单元称为OS而非AS，这一定义强调了它们对静态朝向而非运动方向的编码特性。

视觉通路中视网膜通道的传递

研究结果支持了广泛观察到的现象：在SAC消融小鼠中，视网膜DS读出的确被消除。值得注意的是，在SAC消融小鼠的任何LGN亚区中均未发现残留的DS反应。这与部分SAC功能破坏小鼠的研究结果略有不同，可能源于本研究使用的完全SAC消除与特定水平DS消除的差异。无论如何，DS反应在SAC消融和破坏小鼠的皮层神经元中均有明确描述，表明SAC非依赖的DS反应出现在皮层阶段而非丘脑阶段。

研究发现LGN中的OS反应是SAC非依赖的，这对先前关于DSRGC组合促进丘脑轴选择性的假设提出了质疑。这些发现与近期研究一致，表明DSRGC和OSRGC可能形成独立的传输线一直延伸到视觉皮层。通过测量DSRGC与LGN细胞的功能连接性，研究表明垂直偏好的DSRGC更可能与DS-LGN形成强突触连接，而非与AS/OS-LGN细胞。这些发现支持"标记线"假说，即特定视网膜通道在LGN水平保持分离。

方向与朝向选择性在视觉引导行为中的作用

研究还发现水平OS细胞在30°高程附近密度较高，这一高度对应于地平线，这些细胞可能因此在导航过程中参与定向。此外，研究识别了一条对角线偏好OS单元的高密度带，其功能意义尚需进一步研究。

研究结论与意义

本研究通过系统性的功能分析，揭示了视觉丘脑中方向与朝向选择性的差异组织机制。主要结论包括：dLGN壳区中的DS反应完全依赖于视网膜DSRGC输入，并呈现出与平移光流匹配的拓扑分布，表明其专门编码自身运动产生的视觉流；OS反应则独立于SAC功能，且可被刺激与显示边缘的相对关系动态调制，反映了一种刺激显著性检测机制；DSRGC和OSRGC在丘脑水平主要保持分离传输，支持视觉通路的"标记线"组织原则。

这些发现对理解视觉信息处理的层次机制具有重要意义：首先，挑战了丘脑作为简单中继站的传统观点，揭示了其在特征提取中的主动作用；其次，阐不同视觉特征在丘脑阶段的分离处理原则，为理解视觉通路的功能组织提供了新框架；最后，建立的实验范式为研究其他感官系统中丘脑的功能提供了方法学参考。该研究不仅深化了对视觉系统基本运作机制的理解，也为未来开发类视觉计算算法和视觉修复策略提供了生物学启示。