互动科普

眼睛中隐藏着一种特殊的感光细胞，它们的作用不是为了产生图像，形成视觉，而是为了调节动物的生物钟。

眼睛里的神秘器官：不为看见，只为感光

撰文 伊格纳西奥·普罗文西奥（Ignacio Provencio）

翻译 栾兴华

上世纪20年代，美国哈佛大学的研究生克莱德·E·基勒（Clyde E. Keeler）在自己租住的阁楼里养了两只小鼠，他在小鼠身上发现了两个奇怪的现象：一是小鼠的所有后代都完全失明；二是虽然小鼠的后代失明了，但在受到光线刺激时，它们的瞳孔仍会收缩，只是收缩频率要比正常小鼠慢。
    多年后，科学家在基勒的基础上进行了更深入的研究。他们利用基因技术，培育出了生来就缺乏视杆和视锥细胞（眼睛中的光感受器）的小鼠。结果发现，尽管这些小鼠没有感光细胞，但它们仍然可以通过调节生物钟（circadian clock），对光线的改变作出反应。生物钟是动物内在的计时器，可使激素的活性、体温和睡眠同步。通常，动物都是在日光下进行日间活动，在黑暗中进行夜间活动。而且，即使视网膜上没有感光细胞（photoreceptor cell，脊椎动物的眼睛正是靠这些细胞形成图像），它们依然能按这种节律活动，只不过通过外科手术移除眼球后，就会彻底破坏这种能力。这种现象存在于很多哺乳动物中，包括人类：最近的一些研究表明，某些盲人受到光线刺激时，也能调节自己的生物钟，瞳孔也会收缩。

    对于这种很矛盾的现象，一种解释是，眼睛中的光感受器虽然参与视觉形成，却不会调节日常活动的时间节律，因为调节时间节律的“另有其人”。但直到最近，“除了视杆和视锥细胞，眼睛中可能还有其他光感受器”似乎都还是一种荒谬的说法。视网膜是人体中被研究得最透彻的组织之一，哺乳动物眼睛中为人所知的光感受器，就只有那对“长相”极为相似的搭档——视杆和视锥细胞。

    但是现在，已有充分的证据表明，包括人类在内的哺乳动物的眼睛中，确实存在一些功能特殊、不参与图像形成的光感受器。这些细胞中的感光分子不同于视杆和视锥细胞中的“同行”，两类感光分子所连接的大脑区域也不相同。因此，就像耳朵既能产生听觉，也与平衡感有关一样，我们的每只眼睛实际上也是一种“二合一”的器官。
    这一发现或许会让生物钟失调的人受益匪浅。飞行时差（jet lag）是生物钟失调最明显的表现——昼夜变化节律与我们体内的“时钟”未能同步。而加夜班则是人们自己制造出的时差反应，可能增加心血管疾病、肠胃不适、癌症、代谢综合征（最终可导致2型糖尿病和中风）等疾病的患病风险。历史上负面影响最严重的一些工业事故，比如1989年美国埃克森瓦尔迪兹号油轮（Exxon Valdez）的触礁，1984年印度博帕尔（Bhopal）联合碳化物公司（Union Carbide，现属于美国陶氏化学公司）发生的爆炸，以及1979年美国三哩岛核电站反应堆的核泄漏，都是在晚上值班工人的警觉性降低时发生的。此外，在极北或极南地区，人们易患季节性情感障碍，这种常见的重度抑郁症似乎也是这里的人们在短暂冬日里，对光线不足的一种反应。目前，对于第三种光感受器是如何调控昼夜节律和情绪的，科学家已有了更深入的认识，而通过这些认识，我们已经看到了一些可行的方法，可以把飞行时差、加夜班以及冬季夜晚时间过长带来的负面影响降至最低。

“可笑”的想法

    人们一直认为，视网膜细胞的作用就是形成图像，但现在有人提出了一种“可笑”的想法：视网膜上还存在一种与视觉无关的感光细胞。

生物学家早就知道，生物体的感光器官并不都是为了产生图像。对于动物而言，光线强度发生变化或许就意味着，它已经暴露在捕食者的视野中，极易遭遇攻击，或者可能受到紫外辐射的伤害。很多动物已经进化出了适应性特征，比如伪装色、避光性等，以便最大程度地减小暴露自己的可能性。虽然这些适应性特征都需要某种感光系统，但视觉并不是必须的。1911年，奥地利动物学家卡尔·冯弗里施（Karl von Frisch，1973年诺贝尔生理学或医学奖得主）发现，失明的欧洲米诺鱼（minnow）受到光线照射后，身体会变暗，而当大脑的基底部受损时，米诺鱼则没有这种反应。冯弗里希基于上述发现提出，动物的大脑深处存在着与视觉无关的光感受器。  

很多物种都具有这种感光细胞，麻雀就是一个例子。20世纪70年代初，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔·梅纳克（Michael Menaker）研究发现，即使摘除了麻雀的眼球，它们仍然可以调节生物钟。后续实验表明，鸟类大脑中存在一些感光细胞，一些光线竟能穿过鸟类的羽毛、皮肤和头骨，从而激活这些细胞。

至少部分哺乳动物可能也具有与视觉无关的光感受器。这种可能性最早是在上世纪20年代，基勒报道他对自己所养的小鼠的发现时，引起生物学家的注意的。由于视网膜的解剖结构已研究得很清楚，因此生物学家推测，这种不为人知的感光器官必定位于眼睛之外的某个地方。但在上世纪80年代初，当时任职于美国加利福尼亚大学伯克利分校的兰迪·J·尼尔森（Randy J. Nelson）和欧文·祖克尔（Irving Zucker）对没有眼球的啮齿类动物所进行的研究，却把上述推测推入了质疑漩涡中。由于这些动物不能根据昼夜节律调整生物钟，这就暗示，神秘的感光器官肯定存在于眼睛中。

也就在这一时期，转投到美国俄勒冈大学的梅纳克开始研究，在一些与图像形成无关的感光反应中小鼠的眼睛是否起着某种作用。他和他的两位研究生约瑟夫·高桥（Joseph Takahashi）与戴维·哈德森（David Hudson）观察了一些突变小鼠，这些小鼠的视锥和视杆细胞都不能正常发挥功能，可能只有少量视锥细胞还保持有最低程度的活性。让梅纳克感到吃惊的是，这些失明小鼠的活动竟然严格遵从昼夜节律：白天活跃，晚上慵懒，就像视力正常的小鼠一样。

对于这一现象，一个可能的解释是，尚存的少量低活性视锥细胞仍能对光线作出与视觉无关的反应。但在1999年，英国帝国理工学院的拉塞尔·福斯特（Russell Foster）带领的一个研究团队，在研究一批完全失去了视锥和视杆细胞的突变小鼠时发现，在与视觉无关的感光反应中，这两种细胞其实并非必需的。这一发现表明，解释只可能有一个：眼睛中必然还存在一种尚未被发现的光感受器。

这是一种很异端的想法。从19世纪中期开始，人们就一直认为，视网膜上的细胞的作用就是形成图像。而现在，竟有人提出视网膜上还存在一种近150年来科学家都没有注意到的感光细胞，这似乎显得有些可笑。

蛋白线索

科学家在一种色素细胞中发现了一种新蛋白，从这个蛋白着手，他们找到了揭开非视觉感光系统秘密的通道。

但在上世纪90年代中期，我和马克·D·罗拉格（Mark Rollag）在美国贝塞斯达健康科学统一服务大学的研究却证实，福斯特是正确的。罗拉格对一种不同的非视觉感光反应很感兴趣：两栖动物的伪装术。他发现，蝌蚪尾巴上的色素细胞在光线照射下颜色会变暗。这是一种适应性反应，当动物暴露在光线之下，这种反应有助于它们隐蔽自身。那些色素细胞叫做真皮黑色素细胞（dermal melanophore），即使从蝌蚪尾巴上把它们提取出来放在培养皿中培养，它们仍然能对光线作出反应。我们在培养的细胞中发现了一种新蛋白，它的构成与色素蛋白家族中的视蛋白（opsin）极为相似，而视杆和视锥细胞正是靠后者来感知光线。我们将这种新蛋白命名为黑素蛋白（melanopsin）。  

黑素蛋白与视蛋白间的相似性是一种强烈暗示：黑素蛋白可能就是蝌蚪颜色变暗的触发因子。为了弄清楚黑素蛋白是否也在其他感光细胞中发挥作用，我们在青蛙其他的、会对光作出直接反应的部位搜索这种蛋白，比如青蛙大脑的特定部位、虹膜（iris）以及视网膜。结果表明，不论是视杆还是视锥细胞，都不含黑素蛋白。但让我们吃惊的是，这种蛋白出现在视网膜上的一种神经元——视网膜神经节细胞（retinal ganglion cell）中，而在此之前，科学家一直认为这种细胞并不会对光作出反应。

脊椎动物的视网膜是一种精妙的三层结构。视杆和视锥细胞在最里边的那一层，因此光线必须穿过上面两层后，才会被视网膜识别为视觉信号。然后，视杆和视锥细胞会发出信号，传递到中间那一层，让几种不同类型的细胞对这些信号进行加工处理。最后，中间层的细胞会把经过处理的信号传递到视网膜的表层，这一层主要是由神经节细胞构成的。由这些神经节延伸而出的长长的轴突，会把视觉信号经由视神经传递到大脑。
    2000年，我和同事首次发现了一些迹象，表明神经节细胞上一个极小的部位可以直接对光作出反应。我们随后又发现，在小鼠视网膜神经节细胞中，有2%含有黑素蛋白，而且在人类的视网膜神经节细胞中，也有一小部分含有这类蛋白。2002年，美国布朗大学的戴维·M·柏森（David M. Berson）和同事所做的实验证实了我们的看法。他们首先破坏了小鼠视锥和视杆细胞的功能，并向视网膜神经节细胞注入一种染料。接着，他们又从小鼠的眼睛中移除视网膜，结果发现着上色的神经节细胞受到光线照射时会放电。由于视锥和视杆细胞已失去功能，神经节细胞的反应意味着，除了传递视杆和视锥细胞发出的信号，这些特殊的神经节细胞本身也可以感知光线。
    2002年，其他小组的发现证实了上述推测。美国约翰斯·霍普金斯大学的萨默·哈塔尔（Samer Hattar）与合作者的研究表明，小鼠视网膜伸出的轴突中，一部分会连接至视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，调控机体生物钟的脑区），其他的则与控制瞳孔收缩的脑区相连。而与这些区域相连的神经节细胞，恰好含有黑素蛋白。所有的这些发现都指向同一个答案：在视锥和视杆细胞都丧失功能的情况下，光敏性神经节细胞能使小鼠的瞳孔收缩，使机体活动的周期与昼夜节律保持一致。但对于没有眼球的小鼠而言，由于完全失去了视网膜，因而也就无法调控机体的生物钟。

一个附加试验被用来为这个案子盖棺定论。我和其他科学家设想，如果我们培育一些除了缺少黑素蛋白基因，其他一切正常的小鼠，让它们不能产生黑色素，那么它们也就不能对光线作出非视觉反应。但接下来发生的事，应了那句我们常念叨的口头禅：“科学真是个无情的情人”。当我们刚刚认为即将揭开这个谜团之时，实验结果就让我们哑然了：虽然不能产生黑素蛋白，但小鼠的生物钟几乎没有受到影响。

揭开谜底

    视杆、视锥细胞和黑素蛋白共同发挥作用，将非视觉的光信号传递给了大脑。

为了解释这个让我们大跌眼镜的结果，我们想到了这样一种可能性：在视网膜中，也许还“潜伏”着另外一种与视觉无关的光感受器。但由于诸多原因，这种可能性似乎很小。最明显的原因是，就在我们敲除小鼠黑素蛋白基因的那段时间，小鼠基因组的完整序列已告破译，而在它们的基因组中，并没有其他的比较明显的感光色素基因。
    为此，我们提出了第二个假设：视杆、视锥和感光神经节细胞可能通过共同作用来控制非视觉的光反应。我们利用基因技术，培育出了一批完全缺失视杆、视锥细胞和黑素蛋白的小鼠，来验证这个新提出的可能性。结果，这些基因工程小鼠对光线没有任何视觉或非视觉的反应，就像他们的眼睛已经通过手术移除了一样。最后，我们可以得出这样的结论：视杆、视锥细胞和黑素蛋白共同作用，将非视觉的光信号传递给了大脑。

事实上，越来越多的证据表明，就像其他的视网膜神经节细胞可把视觉信号传递给大脑的视觉区域一样，感光神经节细胞也可作为一个通道，把视杆和视锥细胞发出的非视觉光信号传递给大脑。2008年，包括我们在内的三个研究小组分别发明了一种方法，可以在不影响其他组织的情况下，杀死小鼠的感光神经节细胞。经过如此处理的小鼠尽管视力正常，但它们却容易颠倒白天和黑夜，而且在收缩瞳孔上似乎也遇到了困难（参见对页框图）。换句话说，这些特化的神经节细胞是产生非视觉光反应所必需的，但这套系统生来就有些复杂：神经节细胞要么可以独立感知光线，要么可以传递视杆和视锥细胞发出的信号，或者同时具有这两种功能。

至此，谜团终于解开——至少就小鼠而言是这样。不过已有证据表明，人类中可能也存在类似的生理机制。2007年，福斯特与合作者发表了一项研究，他们的研究对象是两名视杆和视锥细胞都丧失了正常功能的失明病人——相当于人类中的“基勒小鼠”，但当这两位病人周期性地受到蓝光照射时，却仍能调节自己的生物钟节律。而能使病人作出最佳反应的蓝光波长，恰好也处于黑素蛋白能检测到的波长范围。在与柏森小组合作进行的一些研究中，我们也得到了类似的结果：我们使非感光性细胞产生黑素蛋白后，这些细胞受到蓝光照射时就会放电。

还有更有趣的事。我们发现，当黑素蛋白受到光线照射时，会在上述细胞中触发一系列化学信号，而这一过程与果蝇和乌贼的光感受器中的相应过程更为相似，与人类的倒不大相像。不过，这一现象并非完全出乎我们的意料，因为在好几年前我们就已发现，编码黑素蛋白的基因在序列上更接近非脊椎动物，而不是脊椎动物的光色素基因。因此，在哺乳动物中，黑素蛋白可能就是那个此前一直不为人知的、原始的非视觉光敏系统中的光敏色素。这个原始的系统就呆在视网膜内，毗邻它那更为高级的“兄弟”——视觉系统。

除了纯粹的科学意义，这个隐藏在视网膜上的新“器官”的发现可能还有临床应用价值，因为它让科学家意识到了眼部健康与精神健康间的联系，而这个联系此前一直未被注意到。研究表明，蓝光照射可以使患者更为清醒，帮助他们抵抗时差紊乱和睡眠紊乱，还可以缓解季节性情感障碍（seasonal affective disorder）——这是高纬度地区常见的一种疾病，可引起衰弱性抑郁，还可能导致自杀。据此，我们似乎可以很自然地推测光疗是有效的，因为这种疗法的作用目标就是神经节细胞。其他研究已经显示，因青光眼等致使视网膜神经节细胞受损的疾病而失明的孩子，患睡眠障碍的风险似乎要高于因其他因素失明的孩子。从这些研究来看，关注光敏性神经节细胞的健康，也许能催生一系列针对多种疾病的新型疗法。

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本文作者

伊格纳西奥·普罗文西奥在美国弗吉尼亚大学获得博士学位，现为该校的生物学副教授。在与美国斯沃斯莫尔学院（Swarthmore College）的乔恩·科普兰（Jon Copeland）一起研究萤火虫、蟑螂和小龙虾时，他对神经科学产生了浓厚的兴趣。

隐秘的感光器官

一些动物可以通过眼睛外面的器官来感知光线，但人类没有这种器官。尽管如此，部分盲人仍旧可以调节机体活动，以适应昼夜循环。
近年来，科学家发现非视觉的光反应依赖于视网膜上的某种特殊神经元，它们不仅可以独立感知光线，还可以传递视锥、视杆和其他感光细胞发出的信号。

这些特殊神经元能对蓝色光线作出反应，它们可能是我们的无脊椎动物祖先的某些器官在进化过程中留下的“遗迹”。

上述发现可能催生一些新疗法，用于治疗季节性情感障碍、某些睡眠障碍等衰弱性疾病。

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1全新的认识
2身体如何感知昼夜变化

3 我们的生物节律很自然地就会与昼夜周期保持一致——这是一种自发反应，甚至一些盲人也有这种反应。但直到最近，都没人知道到底是人体的哪个部位在告诉大脑白天和黑夜的区别。现在，科学家找到了答案。

4视觉皮层

5视觉通路

6视交叉上核

7非视觉通路

8视神经

9视网膜

10 视杆细胞

11 视锥细胞

12视网膜神经节细胞

13 光敏性视网膜神经节细胞

14连接到视神经

15 细胞的新角色

当视杆和视锥细胞感知到光线，向大脑后部的视觉皮层发出信号时，就会产生视觉。视杆和视锥细胞通过视网膜神经节细胞（RGC）来传递信号，后者会伸出轴突，沿着视神经延伸（左图和上图的蓝色部分）。研究显示，一类视网膜神经节细胞（光敏性视网膜神经节细胞，见上图）可以产生一种此前未知的色素——黑素蛋白，而正是这种蛋白，让这些细胞可以直接感知光线。光敏性视网膜神经节细胞会将信息传递到大脑中生物钟的主要部件视交叉上核（见左图）。这样一来，我们的眼睛就像是两个器官：一个用于看东西，一个用于对光作出非视觉反应。

16 视网膜详细结构

17 视觉皮层

18 视觉

19 信号传递至大脑

20 视锥和视杆细胞

21 色素

22 光线

23视交叉上核

24 根据光线调节生物钟

25 光敏性视网膜神经节细胞

26 黑素蛋白

27 光线

28 信息传输线 

一般情况下，含有色素的神经节细胞的作用不仅是为视交叉上核收集光信号，还会把视杆和视锥细胞发出的信号传送至视交叉上核。

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1 实验证据
2 揭开眼睛的双重生活
3 为了了解哺乳动物是如何调节自己生物钟以适应昼夜循环的，科学家探索了几十年，反复测试动物眼睛的不同部分失去功能后会发生什么事。他们很快就发现，对于生物钟而言，视锥和视杆细胞并不是必需的，起关键作用的必定是其他细胞（第二和第三列）。当科学家在一类视网膜神经节细胞中找到了黑素蛋白，并发现这种色素对光敏感后，他们推测黑素蛋白可能是很关键的东西，结果却仍然表明，黑素蛋白与生物钟关系不大（第四列）。进一步研究显示，这类神经节细胞是调节生物钟所必需的，但这个系统的构成却有些复杂。如果通常含有黑素蛋白的神经节细胞缺乏黑素蛋白，只要视锥和视杆细胞的功能正常，生物钟仍能正常运转；如果视杆和视锥细胞功能异常，那么神经节细胞中的黑素蛋白则能提供节律调节所需的信号。

4 视网膜神经节细胞

5 光敏性视网膜神经节细胞（产生黑素蛋白）

6 实验

7 视觉是否正常

8 生物钟能否根据光线调节

9细胞的作用/暗示

10 正常视网膜

11正常功能

12     功能的视杆和视锥细胞（基因工程构建或人类的基因突变）

13对于生物钟的调节来说，视杆和视锥细胞的功能并非必需的

14没有眼球（手术摘除的小鼠）

15眼睛是生物钟调节所必需的

16没有黑素蛋白（遗传改造的小鼠）

17部分

18黑素蛋白参与调节，但非必要

19无视杆和视锥细胞，无黑视蛋白（遗传改造的小鼠）

20视杆、视锥细胞和黑素蛋白，至少要有一个正常

21没有黑素蛋白生成细胞（选择性破坏小鼠中的这类细胞）

22产生黑素蛋白的细胞是必要的

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1 画廊
2 感知光线，不为看见
3 大多数生物通过感知日光和黑暗以产生生物节律。有些动物通过特殊的非视觉光敏器官来完成，部分动物则具有其他的非视觉光反应，如进行伪装等。虽然人类和其他哺乳动物的非视觉感受体都存在于眼睛中，但有些动物的感受体位于身体其他部位。
4蝌蚪和其他两栖动物通过皮肤上的色素细胞来探知光线，如此便于适应周围不同的环境背景以伪装自己。
5麻雀甚至可以在眼球摘除的情况下仍然保留自身的昼夜节律。这是因为麻雀的非视觉光敏细胞存在于大脑内，光线可以穿过羽毛、皮肤和骨骼的来激活这些细胞。

6 小鼠是科学家发现的首个在失明状态下仍可调整生理节律的哺乳动物，现已证实小鼠的非视觉感受体存在于眼睛里。