人類和其他哺乳動物是如何獲得夜視能力的？

出品|網易科學人欄目組 晗冰

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據國外媒體報道，在一個沒有月光的夜晚，到達地球的光線比晴天時少萬億倍。然而，大多數哺乳動物的視力仍然很好，雖然他們都沒有貓和其他夜行動物眼睛裡特殊的增光膜，但依舊可以四處走動。一項在老鼠身上進行的新研究揭示了這種自然夜視能力的工作原理:視網膜上的運動感測神經細胞在黑暗條件下會暫時改變它們相互連接的方式。研究人員說，這些發現有一天可能會幫助視障人士。

科學家已經對兔子、老鼠、人類和其他哺乳動物身上夜視原理有所了解。馬里蘭大學帕克分校神經科學家約書亞·辛格（Joshua Singer）雖然沒有參與這項研究，但其指出，哺乳動物的視網膜可以對「小得可笑」的光子數量做出反應。單個光子可以激活視網膜中的一種光敏細胞，這種細胞通過神經節細胞向大腦發送微弱的電信號。

而有一種神經節細胞則專門從事運動檢測——如果你是一隻被貓頭鷹追捕的老鼠，或者是一個為了躲避迎面而來汽車而飛奔的人，這種功能就至關重要了。一些定向選擇神經節細胞(DSGCs)只有在物體向上運動時才會被經法。其他細胞只在物體向下、向左或向右移動時興奮。這些神經節細胞一起決定物體的方向，並將信息傳遞給大腦，然後大腦再決定如何行動。

辛格說，定向選擇神經節細胞是「大腦中為數不多幾個神經科學家清楚神經元在做什麼的地方之一」。但是當沒有光線時，細胞會以令人驚訝的方式活動。

為了發現定向選擇神經節細胞是如何適應黑暗環境的，北卡羅來納州達勒姆杜克大學神經科學家格雷格·菲爾德（Greg Field）和他的同事們將老鼠的視網膜切片放置在嵌入電極陣列的小玻璃板上。菲爾德說，每個陣列包含約500個電極，但其尺寸很小，只有半毫米寬。由於被侵潤在含氧溶液中，老鼠的視網膜仍然可以起作用並「看到」物體，而陣列可以記錄下數百個神經元的電活動。

研究小組向解剖後的視網膜展示了一個簡單的電影——樂隊在對比鮮明的背景下移動——然後將光線調暗1萬倍，從典型的辦公室級燈光調暗到月光下的場景。菲爾德說，四種定向選擇神經節細胞中有三種在燈光熄滅時對運動的響應「一如既往的穩定」。但是第四種類型通常只會對向上的運動有反應，現在對更廣泛的運動有反應，其中包括向下和橫向運動。

菲爾德和他的同事隨後分析了為什麼「向上」細胞的行為異常。通過對所有四個方向細胞活動的計算機模型進行分析，他們得出結論，當「向上」細胞犧牲了對一個方向的某些偏好時，他們提高了整個神經節細胞群體的性能，增強了向選擇神經節細胞在弱光下檢測運動的能力。

為了找出「向上細胞」是如何改變它們功能的，科學家們通過基因工程改造一些實驗老鼠，這些小鼠的上感覺神經元缺乏細胞內連接，也就是所謂的間隙連接。這種蛋白質通道允許化學信號從一個神經元傳遞到另一個神經元，此前曾被認為與夜視有關。菲爾德的團隊發現，在沒有間隙連接的老鼠視網膜組織中，向上感應細胞無法適應黑暗。研究人員指出，這意味著至少一部分「向上」細胞在弱光下增強運動檢測的能力取決於間隙連接。

目前尚不清楚這種研究結果是否也適用於人類，但關於嚙齒動物視覺細胞的研究可能仍然適用於人工視覺。儘管定向選擇神經節細胞僅占人類神經節細胞的4%，而小鼠的這一比例約為20%，但許多視障人士的新型視網膜修復術在很大程度上依賴於電刺激神經節細胞。菲爾德說，這樣的研究可以幫助微調這些技術。「如果你想刺激神經節細胞，你需要讓它們向大腦發送正確的信號。」

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