视觉科学家通过眼睛的光感受器发现光路的新角度
NIH 对地松鼠的研究表明，线粒体在感光细胞中具有双重功能。
美国国家眼科研究所 (NEI) 的研究人员发现，眼睛感光细胞中产生能量的细胞器称为线粒体，它起到微透镜的作用，帮助将光引导到这些细胞的外部部分，在那里它被转换成神经信号。在地松鼠身上的发现为视网膜的光学特性提供了更精确的图像，并有助于更早地发现眼部疾病。今天发表在《科学进展》上的研究结果也揭示了视觉的进化。NEI 是美国国立卫生研究院的一部分。
该研究的首席研究员 Wei Li 博士/BM 说：“我们对线粒体似乎具有双重目的这一迷人现象感到惊讶：它们已经确立的代谢作用产生能量，以及这种光学效应，”谁领导 NEI 视网膜神经生理学科。
这些发现还解决了关于哺乳动物视网膜的长期谜团。尽管光被转化为信号并立即从视网膜传递到大脑的进化压力，但这种旅行几乎不是直接的。一旦光到达视网膜，它必须通过多个神经层才能到达光感受器的外段，在那里发生光转导（将光的物理能量转换为细胞信号）。感光器是长的管状结构，分为内段和外段。光子在从内部移动到外部之前必须穿越的最后一个障碍是异常密集的线粒体束。
视锥细胞中的线粒体有双重目的：它们为细胞产生能量，在一项新的研究中，它们还充当微透镜。这种光学作用有助于在光线从细胞的内段移动到外段时集中光。外部部分是将光的物理能量转化为细胞信号的地方。图片来源：国家眼科研究所
这些线粒体束似乎通过散射光或吸收光来对抗视觉过程。因此，李的团队开始通过研究 13 排地松鼠的锥形光感受器来研究他们的目的。
与用于视觉研究的其他动物模型不同，地松鼠的 13 行视网膜主要由能够看到颜色的视锥细胞组成，而不是能够实现夜视的视杆细胞。Li 的团队研究了 13 条地松鼠，以更好地了解主要影响视锥细胞的人类眼部疾病的原因。
研究人员使用改进的共聚焦显微镜观察活锥线粒体暴露在光线下的光学特性。远离散射光，紧密排列的线粒体将光沿着细的铅笔状轨迹集中到外段。使用高分辨率线粒体重建的计算模型证实了实时成像结果。
“线粒体的类似晶状体的功能也可以解释被称为 Stiles Crawford 效应的现象，”该论文的第一作者、视网膜神经生理学部门的科学家 John Ball 博士说。
测量视网膜对光反应的科学家们早就观察到，当光在瞳孔中心附近进入眼睛时，与在瞳孔边缘附近进入眼睛的同等强度的光相比，它看起来更亮。
在这项研究中，李发现线粒体的晶状体效应遵循类似的定向光强度分布。也就是说，根据光源的位置，线粒体将光线聚焦到细胞的外段，沿着与 Stiles-Crawford 效应所观察到的轨迹相似的轨迹。
将线粒体的晶状体功能与 Stiles-Crawford 效应联系起来具有潜在的临床意义。长期观察到的效果现在可以用作无创检测视网膜疾病的基础，其中许多疾病被认为与线粒体功能障碍有关。例如，据报道，色素性视网膜炎患者即使视力良好，也会出现异常的 Stiles-Crawford 效应。需要更多的研究来探索锥体线粒体的结构和功能变化及其在可检测光学特征中的表现。
最后，这些发现为我们的眼睛如何进化提供了新的见解。
与李的研究中的线粒体一样，在鸟类和爬行动物的光感受器中，微小的油滴位于最靠近外节的内节部分，它们被认为具有光学作用。此外，哺乳动物视锥细胞中的线粒体“微透镜”具有类似于苍蝇和大黄蜂等节肢动物的复眼所实现的功能。
“这种见解在概念上将节肢动物的复眼与脊椎动物的照相机眼联系起来，这是两个独立进化的成像系统，展示了趋同进化的力量，”李说。
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参考文献：
John M. Ball、Shan Chen 和 Wei Li 于 2022 年 3 月 2 日， Science Advances的“视锥细胞中的线粒体充当微透镜以增强光子传递并赋予光的方向敏感性” 。
DOI: 10.1126/sciadv.abn2070
该研究由 NEI 校内研究计划资助。