《Scientific Reports》：Analysis of the relationship between rod cell membrane currents and the photoreceptor component of electroretinograms using a cable model
编辑推荐：
为解决 ERG 信号成分定量起源和特征不明的问题，研究人员开展了视杆细胞膜电流与 ERG 波形成分关系的研究。通过构建 1D 双域电缆模型，发现不同电流对 ERG 波形影响不同，成功复现 ERG 波形，为研究 ERG 机制及临床应用提供基础。
在人体的视觉系统中，视网膜就像一台精密的 “光信号接收器”，其中视杆光感受器细胞在夜晚或弱光环境下发挥着关键作用，帮助人们看清周围的事物。而视网膜电图（Electroretinogram，ERG）作为检测视网膜功能的重要手段，就像是视网膜的 “健康晴雨表”，能反映出视网膜的各种生理状态。然而，长期以来，ERG 信号中各个成分的定量起源和特征一直是个未解之谜。比如，当医生通过 ERG 检测发现波形异常时，却很难准确判断是视网膜的哪个部分出了问题，这大大限制了 ERG 在疾病诊断和治疗效果评估方面的应用。为了攻克这些难题，日本立命馆大学生命科学研究生院等机构的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为我们理解视网膜的奥秘提供了新的视角。
研究人员运用了多种关键技术方法。在模型构建方面，基于 Kamiyama 等人提出的模型，结合哺乳动物细胞数据对感光电流模型进行修改，构建了单细胞模型。在此基础上，构建一维（1D）双域电缆模型，模拟视杆光感受器细胞的结构和电生理特性。在计算分析时，采用耦合半隐式时间步长法求解双域方程，以获取模型的计算结果。
研究结果主要包含以下几方面：
- 单细胞模型特性：研究人员利用构建的单细胞模型进行 ERG 生成测试，模拟小鼠视杆光感受器细胞对不同强度光刺激的反应。结果显示，在黑暗条件下，膜电位处于约 - 36mV 的平衡状态。光照刺激后，膜电位随光强度增加而下降，随后恢复到黑暗时的水平。同时，不同离子电流如Iphoto?、Ih? 、IK? 等对光刺激的反应各异，且该模型的瞬态电流持续时间更短，Iphoto?的时间进程与小鼠感光细胞相似。
- ERG 光感受器成分的复现：使用该模型在暗适应条件下，对不同强度光刺激（10 - 50,000 Rh*/s）进行 20ms 的模拟，成功复现了 ERG 波形。结果表明，弱光刺激时，ERG 形状与Iphoto?相似；强光刺激（100 - 1000 Rh*/s）时，两者差异明显，且光强度越强，ERG 下降沿越陡峭。此外，模型还较好地复现了局部 ERG，进一步分析发现 “nose” 的形成主要与外核层（ONL）相关。
- ERG 波形的起源：通过分析高光强度刺激下不同时间点的细胞电生理变化，研究人员发现黑暗状态下，ERG 电位基于视杆外段（OS）和突触终端（ST）之间的细胞外电位差形成，细胞外电流从 ST 流向 OS。光照刺激后，ERG 幅度下降，细胞外电流减少并分流。在 “nose” 产生阶段和恢复阶段，细胞外电流回路和离子电流分布都发生了相应变化，这些变化最终使细胞恢复到黑暗状态下的电位和电流分布。
- 光感受器膜电流的离子电流组成：研究人员分析了不同时间点各离子电流在膜电流中的组成。黑暗状态下，不同细胞区域有不同的主要离子电流。光照刺激后，各离子电流变化不同，如Iphoto?在 OS 中下降，Ih?在 IS 中略有增加等。在 ERG 恢复过程中，离子电流也呈现出特定的变化趋势。
- Ih?通道阻断实验：研究人员模拟了Ih?通道阻断的情况，结果显示 “nose” 成分的主要起源与Ih?通道电流相关。对比控制模型和Ih?阻断模型，发现在 ERG 恢复阶段，两者的膜电位和离子电流分布存在明显差异，这进一步证实了Ih?在维持膜电位稳定中的关键作用。
研究结论和讨论部分指出，虽然Iphoto?电流模型能较好地复现 ERG 波形，但该模型的组成部分仍需进一步研究。传统观点认为 ERG 的光感受器成分主要由Iphoto?电流主导，但研究发现强光刺激下存在其他影响 ERG 波形的因素。通过对不同细胞区域离子电流和细胞外电流的分析，揭示了 ERG 波形变化的机制。同时，研究还发现Ih?在维持膜电位稳定和 “nose” 形成中起关键作用，此外，其他离子通道电流如IPMCA?、ICa?和ICl(Ca)?也可能影响 “nose” 的产生。该研究成功复现了抑制Ih?通道对 ERG 波形变化的影响，为进一步研究离子通道在视网膜功能中的作用提供了重要依据。未来，随着对离子通道分布和离子电流机制研究的深入，有望进一步完善该模型，更准确地模拟视网膜的电生理现象，为视网膜疾病的诊断和治疗提供更坚实的理论基础。
