视觉科学家发现了光通过感光器的路径新角度

　　

   

   

视频:锥状光感受器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，它们还起到微透镜的作用。当光线从细胞的内段移动到外段时，这种光学作用有助于集中光线。外层是光的物理能量转化为细胞信号的地方。

资料来源:美国国家眼科研究所

美国国家眼科研究所(NEI)的研究人员发现，在眼睛的感光细胞中，产生能量的细胞器，称为线粒体，起着微透镜的作用，帮助将光线输送到这些细胞的外段，并在那里转化为神经信号。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，有助于更早地发现眼病。今天发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的这项发现，也阐明了视力的进化。NEI是美国国立卫生研究院的一部分。

“我们对线粒体似乎有双重作用的奇妙现象感到惊讶:它们公认的代谢作用产生能量，以及这种光学效应，”该研究的首席研究员、博士/B.M. Wei Li说他是NEI视网膜神经生理学部门的负责人。

这一发现也解释了一个关于哺乳动物视网膜的长期谜团。尽管在进化的过程中，光线被转化为信号，并从视网膜迅速传递到大脑，但这种传递几乎不是直接的。一旦光线到达视网膜，它必须通过多个神经层才能到达感光器的外层，在那里发生光转导(光的物理能量转化为细胞信号)。光感受器是长管状结构，分为内部和外部部分。光子从内段到外段的最后一个障碍是异常密集的线粒体束。

这些线粒体束似乎通过散射光或吸收光来阻碍视觉过程。因此，李的团队通过研究13线地松鼠的锥体感光器来研究它们的目的。

与其他用于视觉研究的动物模型不同，地松鼠的视网膜由13条线组成，主要由视锥细胞组成，视锥细胞可以辨别颜色，而不是由视杆细胞组成的视杆细胞可以实现夜间视觉。为了更好地理解主要影响视锥光感受器的人类眼病的原因，李的团队研究了13条线的地松鼠。

研究人员使用了一种改良的共聚焦显微镜来观察活锥体线粒体暴露在光下的光学特性。紧密排列的线粒体远离散射光，而是将光沿着细长的铅笔状轨迹集中到外层。使用高分辨率线粒体重建的计算建模证实了实时成像的发现。

“线粒体的透镜状功能也可以解释被称为斯泰尔斯·克劳福德效应的现象，”论文的第一作者、视网膜神经生理学部门的科学家约翰·鲍尔博士说。

测量视网膜对光的反应的科学家长期以来一直观察到，当光线进入靠近瞳孔中心的眼睛时，它看起来比进入瞳孔边缘附近的眼睛的同等强度的光线更亮。

在这项研究中，Li发现线粒体的透镜状效应遵循类似的方向光强度剖面。也就是说，根据光源的位置，线粒体将光线聚焦到细胞的外层，沿着与斯蒂尔斯-克劳福德效应相似的轨迹。

将线粒体的透镜状功能与斯蒂尔斯-克劳福德效应联系起来具有潜在的临床意义。这种长期观察到的效应现在可以作为非侵入性检测视网膜疾病的基础，许多视网膜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，也会出现异常的斯蒂尔-克劳福德效应。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需要更多的研究。

最后，这些发现为我们了解眼睛是如何进化的提供了新的视角。

就像Li研究中的线粒体一样，在鸟类和爬行动物的感光器中，微小的油滴位于最接近外节的内节部分，它们被认为具有光学作用。此外，哺乳动物锥状光感受器中的线粒体“微透镜”提供了一种功能，让人想起苍蝇和大黄蜂等节肢动物的复眼所实现的功能。

“这一发现在概念上连接了节肢动物的复眼和脊椎动物的摄像机眼睛，这两种独立进化的图像形成系统，证明了聚合进化的力量，”李说。

这项研究由NEI校内研究项目资助。

原文检索：

Ball JM, Chen S, Li W. “Mitochondria in cone photoreceptors act as microlenses to enhance photon delivery and confer directional sensitivity to light”, published March 2, 2022 in Science Advances.