Single-nucleus 测序解码脊椎动物视觉通路进化奥秘

为探究脊椎动物两条主要视觉通路差异及进化变化，研究人员运用 snRNA-seq，揭示细胞景观等，为视觉通路进化研究提供新视角。

　　在奇妙的动物世界里，视觉是脊椎动物感知周围环境的重要 “窗口”。从翱翔天际的飞鸟，到奔跑在草原的哺乳动物，它们的视觉系统在漫长的进化历程中不断演变。目前已知脊椎动物主要依靠视网膜顶盖通路（retinotectal pathway）和视网膜膝状体通路（retinogeniculate pathway）来实现视觉功能。然而，这两条通路之间究竟有哪些本质区别？它们在进化过程中又经历了怎样的变化？这些问题一直困扰着科研人员。

为了揭开这些谜团，来自华大基因研究院（BGI Research）、西北大学、郑州大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《iScience》杂志上，为我们理解脊椎动物视觉通路的进化提供了全新的视角。

在这项研究中，研究人员运用了单细胞核 RNA 测序（single-nucleus RNA sequencing，snRNA-seq）技术以及高分辨率空间转录组测序技术。他们选取了鸟类的视顶盖（optic tectum，OT）作为研究对象，这是鸟类视觉处理的关键亚皮质中枢之一。通过对鸽子和斑马雀的视顶盖进行 snRNA-seq，研究人员构建了其细胞景观，详细分析了不同细胞类型的特征和分布。

研究结果如下：

1. 鸟类视顶盖的单核转录组景观：研究人员对鸽子和斑马雀的视顶盖进行 snRNA-seq，共获得 49,273 个鸽子 OT 细胞核和 28,569 个斑马雀 OT 细胞核。经注释，确定了 8 种主要细胞类型，包括兴奋性神经元（Exn）、抑制性神经元（Inn）等。进一步聚类分析发现，神经元可分为 18 个不同亚群。研究还验证了如 CABP7、OTX2 等关键分子在不同细胞类型中的表达模式及空间分布，为深入理解鸟类视顶盖的功能和结构提供了重要依据。
2. 鸟类视顶盖的跨半球转录侧化：研究人员分别对鸽子左右视顶盖进行测序分析，发现主要细胞组成无显著半球差异，但不同细胞类型的半球特异性表达基因（HEGs）数量不同，Exn、Inn 和 Ast 的不对称性最为显著 。这些 HEGs 主要富集在细胞趋化、轴突延伸等通路，如 EPHA3 和 EPHA6 等分子在左右视顶盖表现出明显的表达偏好，且 HEGs 主要分布在视顶盖浅层，参与视觉形成过程。
3. 脊椎动物视网膜顶盖通路中视觉丘脑投射权重的转变：研究人员整合鸟类 OT 和人类 SC 的 snRNA 数据，发现二者细胞组成高度保守。研究聚焦丘脑投射神经元，发现鸟类和人类中存在两种功能不同的丘脑投射兴奋性神经元 —— 视觉相关投射神经元和反射相关投射神经元。从鸟类到小鼠再到人类，这两种神经元的比例呈现显著梯度变化，这可能导致了视网膜顶盖通路功能的差异。此外，研究还鉴定出 Exn5、Inn9 和 Inn7 等神经元亚群在鸟类和人类中密度不同，这些神经元亚群与视觉系统发育等功能相关。
4. 鸟类和人类优势视觉通路的分子相似性：研究人员比较人类视网膜膝状体通路和鸟类视网膜顶盖通路，发现神经细胞在 LG 和 SC 之间差异显著，非神经细胞则较为相似。通过相关性分析发现，鸟类 OT 神经元与人类 SC 神经元在转录因子表达上高度相似，与人类多个视觉功能区域在功能基因表达上有一定相似性。研究还鉴定出 13 个在鸟类和人类优势视觉通路中共享的上调分子，这些分子大多与神经发育和突触形成相关。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了脊椎动物视觉通路信号传输权重的显著转变，为研究神经通路进化提供了新的思路和框架。通过比较分析，研究人员确定了一系列与正常视觉建立和发育相关的功能基因，这些基因在不同物种的优势视觉通路中高度保守，对视觉的趋同进化具有重要意义 。此外，研究中发现的部分基因可能成为未来视觉发育障碍的潜在指标。然而，研究也存在一定局限性，如仅研究了视觉通路的部分区域，样本主要为成年个体，物种选择有限等。未来的研究需要进一步拓展研究范围，纳入更多物种和发育阶段，以深入探究脊椎动物视觉通路进化的分子机制。

总之，这项研究在脊椎动物视觉通路进化研究领域取得了重要突破，为后续研究奠定了坚实基础，有望推动我们对视觉系统发育和进化的深入理解。<在未来的研究方向上，由于复杂生物体对外部环境的感知和响应是一个极其复杂的过程，涉及多个脑区的协作以及多种信号模式的转换。本次研究主要聚焦于鸟类接收视网膜投射最多的 ot 结构，并与哺乳动物的部分对应区域进行了初步比较，但这只是脊椎动物视觉传输和处理的一小部分。后续研究应纳入更多视觉感知和处理的关键枢纽，涵盖从视网膜接收光信号到产生更高级视觉意识的整个通路。同时，视觉通路的形成，尤其是轴突的选择性延伸，主要在发育阶段塑造，而本研究主要使用成年样本，这在一定程度上限制了研究的深度和广度。因此，未来研究需要更多关注发育阶段的样本，以更好地理解视觉通路的形成机制。此外，为全面探究脊椎动物视觉通路的进化，应纳入更多物种进行比较分析，深入研究已鉴定出的差异表达基因，明确它们与视觉转变之间的因果关系，从而更深入地揭示视觉进化的驱动力量。 ot>