单细胞空间技术探秘动物世界连载[3]：绘制章鱼的视觉系统

超过5亿年的进化差异带来了一个问题：章鱼视觉系统的基本回路是什么样子的？在一篇最近发表的论文中，Songco-Casey等人试图将单细胞RNA测序（scRNA-seq）和荧光原位杂交（FISH）方法相结合来提供答案。

趋同进化是指各个物种独立地进化出相似的特征。这也恰好是生活中一个很好的比喻：条条大路通罗马。

以章鱼为例。从字面意义上讲，它们观察世界的方式与我们相似。这不仅是因为它们的智慧（它们能解决复杂的谜题，也能拧开防儿童开启的罐子），还因为它们有一对非常复杂的照相机式眼睛——这一点与人类相似，但与大多数无脊椎动物不同。

超过5亿年的进化差异带来了一个问题：章鱼视觉系统的基本回路是什么样子的？

深入挖掘这个问题需要两部分的关键信息：组成章鱼视叶（optic lobe）的具体细胞类型，以及这些细胞在视觉系统背景下的排布。在一篇最近发表的论文中，Songco-Casey等人试图将单细胞RNA测序（scRNA-seq）和荧光原位杂交（FISH）方法相结合来提供答案(1)。通过这些工具，他们提供了目前最佳的章鱼视叶图谱，并让我们了解章鱼是如何观察世界的。

1 观察章鱼的视觉

尽管章鱼的照相机式眼睛与我们的眼睛非常相似，但其内在的视觉“硬件”却完全不同。它们的眼睛紧挨着视叶，而视叶占中央大脑的60%以上。再往里看，视叶又进一步分为外颗粒层（OGL）、网状层（PL）、内颗粒层（IGL）和髓质（MED）。

2 建立一份零件清单

“这个项目的主要目标是确定章鱼视叶的‘零件清单’，并对其视觉系统内的细胞类型排布提供一个综合模型，” Songco-Casey等人说。

在生物系统中，形式决定功能，而视叶的独特结构意味着每一层的细胞有着不同的功能。为了分析内在的回路，研究人员采用10x Genomics Chromium单细胞3’基因表达技术来表征组成视叶的各种细胞类型。

在初步分析后，他们产生了41个细胞簇，其中33个似乎是神经元。之前的研究已发现谷氨酸、多巴胺和乙酰胆碱是章鱼视觉系统中的主要神经递质(2)，于是研究人员缩小了他们的数据范围，以鉴定神经传递的标志物。

在33个神经元簇中，有24个可根据神经递质的补充划分为六种主要的细胞类型。最少的两种细胞类型比较罕见，其特点是表达orcokinin或章鱼胺（两种主要在无脊椎动物中发现的神经肽）。另外四种主要的细胞类型是多巴胺能、谷氨酸能、多巴胺能+谷氨酸能或胆碱能神经元，每种类型都在视叶的各层有着特征性分布。

这24个神经细胞簇可通过保守的标志物来鉴定，而剩下的9个细胞簇可用一个新基因（obimac0019980）来表征，它们代表了未成熟的神经元。研究团队将未成熟的神经元进一步分成三个亚组，它们既有独特的表达模式，又在髓质中广泛表达，这与神经元成熟后从髓质迁移到视叶的过程一致。

3 将它们组装在一起

一份完整的章鱼视觉系统图谱需要对其细胞组成和解剖分布都有了解。因此，作者在scRNA-seq的指导下多次使用FISH，描绘出组成视叶每一层的特定细胞类型（亚型）。

令人惊讶的是，尽管神经元可根据特定神经递质的补充而分为几大类，但空间结构讲述了一个更细微的故事。例如，谷氨酸能神经元存在于视叶的每一层；不过，OGL神经元是高度有序的，且负责轴突图式形成的hedgehog（hh）基因呈阳性，而IGL神经元可通过钙离子通道基因cacng来标记，它们分布在整个IGL中。这些结果突出了神经回路的复杂性，并强调了理解复杂系统中的功能和位置有多重要。

4 展望未来

尽管人类和章鱼的眼睛在总体的解剖学层面有相似之处，但Songco-Casey等人的这项工作强调了内在机制有很大差异，并为其他研究人员继续前行提供了一份路线图。虽然作者承认他们的工作有一些局限性，特别是几乎可以肯定还存在更多的细胞多样性，但他们的成就令人印象深刻，感谢他们让我们更深入地了解这些迷人生物观察世界的方式。

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参考资料：

1. Songco-Casey J, et al. Cell types and molecular architecture of the Octopus bimaculoides visual system. Curr Biol 32(23): 5031–5044 (2022). doi: 10.1016/j.cub.2022.10.015

2. Messenger JB. Neurotransmitters of cephalopods. Invertebrate Neuroscience 2: 95–114 (1996). doi: 10.1007/BF02214113