非成像视觉环路对生理活动和行为的调控作用

袁满 综述 沈吟，2 审校

1武汉大学人民医院眼科中心，武汉 430060；2武汉大学医学研究院，武汉 430071

视网膜是重要的感觉器官，由一级神经元，即视杆细胞和视锥细胞对光刺激产生电信号，经二级和三级神经元，即水平细胞、双极细胞、无长突细胞、视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells，RGCs)处理后，由三级神经元，即RGCs的轴突将视觉信号传递至大脑，从而可识别物体的颜色、对比敏感度，并感知物体的动态变化。然而，视觉处理系统除了传递图像的视觉信息外，传入的光信号对人的生理活动和行为也会产生影响，称为非成像视觉(non-image-forming vision，NIFV)。NIFV较少依赖于传统光感受器细胞产生的信号，而是由视网膜上一类特殊的视网膜感光神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)来完成，可参与调节机体昼夜节律和瞳孔对光反射(pupillary light reflex，PLR)，对人的情绪、防御、学习、睡眠和体温等发挥调节作用。自ipRGCs被发现以来，其对NIFV的调控机制及相关功能受到广泛关注，越来越多的证据显示NIFV环路与许多疾病相关[1]。本文就NIFV环路对生理活动和行为的调控作用进行综述，归纳ipRGCs投射核团与NIFV功能的关系，为临床医生提供更加全面的视觉认识。

1 ipRGCs概述

视网膜上含有一类能够表达黑视蛋白的RGCs，占RGCs总量的3%～4%，这类特殊的感光细胞统称为ipRGCs。ipRGCs能够直接通过黑视蛋白产生对光反应，并与视杆细胞和视锥细胞传递的信号相整合，从而介导哺乳动物的成像视觉(image-forming vision，IFV)和NIFV[2]。ipRGCs根据形态特征分为6种亚型，即M1～M6，每种亚型通过不同方式传递光信号，投射至不同的脑区(表1，图1)[3]。Brn3b作为一种转录因子，在ipRGCs的亚型中表达，可调控RGCs的分化、轴突寻路和树突分层。几乎所有非M1型ipRGCs都表达Brn3b，仅少部分M1型ipRGCs表达Brn3b[4]。M1型ipRGCs是调控NIFV输出的神经元，依据是否表达Brn3b又分为不同的亚型。不同亚型的细胞，其投射的核团也不同。其中，Brn3b(+)的M1型ipRGCs投射到橄榄顶盖前核(olivary pretectal nucleus，OPN)、下丘脑腹外侧视前核(ventrolateral preoptic nucleus，VLPO)、外侧缰核(lateral habenula，LHb)等[5]；Brn3b(-)的M1型ipRGCs投射到视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)、膝状体间小叶(intergeniculate leaflet，IGL)和丘脑腹侧外膝体(ventral lateral geniculate nucleus，vLGN)[6]。M2型ipRGCs同时参与NIFV和IFV，分别投射至上丘(superiorcolliculus，SC)、外侧膝状体背核(dorsal lateral geniculate nucleus，dLGN)、SCN和OPN[7]。目前认为M3型ipRGCs投射至SC。M4～M6型ipRGCs投射的核团参与了IFV的视觉输出，如dLGN和SC等[3]。随着Cre转基因小鼠结合新型病毒示踪工具技术的发展，研究人员可绘制出ipRGCs向脑区投射区域，研究ipRGCs在参与NIFV和IFV中的作用。

图1 ipRGCs在脑区的投射核团 VLPO：下丘脑腹外侧视前核；SCN：视交叉上核；pSON：视上核；VMH：下丘脑腹内侧核；vLGN：丘脑腹侧外膝体；IGL：膝状体间小叶；dLGN：外侧膝状体背核；pHb：外侧缰核边缘区；LHB：外侧缰核；OPN：橄榄顶盖前核；SC：上丘

表1 不同亚型的ipRGCs在大脑的投射核团ipRGCs类型投射核团IFV/NIFVM1 (Brn3b+)OPN(shell)、VLPO、LHB、pHb、IGL、vLGN、VMH、pSON、dLGN、SCNIFV (Brn3b-)SCN、IGL、vLGNIFV/NIFVM2SC、dLGN、SCN、OPN(core)NIFVM3SCNIFVM4/M5/M6SC、dLGN、IGL、vLGN、OPN(core)IFV/NIFV 注:ipRGCs:视网膜感光神经节细胞;OPN:橄榄顶盖前核;VLPO:下丘脑腹外侧视前核;LHB:外侧缰核;pHb:外侧缰核边缘区;IGL:膝状体间小叶;vLGN:丘脑腹侧外膝体;VMH:下丘脑腹内侧核;pSON:视上核;dLGN:外侧膝状体背核;SC:上丘;SCN:视交叉上核;IFV:成像视觉;NIFV:非成像视觉

尽管ipRGCs无需通过视杆细胞和视锥细胞传递光信号，ipRGCs本身对光就有反应，但同时也可接受视网膜无长突细胞对视杆细胞和视锥细胞所传递信号的整合[8]。研究发现，在缺乏视锥细胞和视杆细胞的小鼠中，其NIFV相关的功能，如昼夜光调节、褪黑激素分泌、PLR等行为仍然存在。而在黑视蛋白敲除的小鼠(Opn4-/-)中，几乎所有的NIFV均受到影响，而视觉功能未见明显影响。但黑视蛋白敲除的小鼠仍存在非图像视觉功能，视杆细胞和视锥细胞可能与ipRGCs发挥协同作用提供NIFV[9-10]。ipRGCs参与的视觉环路在NIFV中起着决定性作用，而传统感光细胞对NIFV影响较小。有研究表明，投射至NIFV功能区的ipRGCs主要来源于M1型ipRGCs[11]。

2 NIFV参与的视觉环路

RGCs可传递视觉信息到约50个大脑核团，每个核团处理不同的视觉信息，包括NIFV和IFV。由内在光敏性ipRGCs参与的NIFV环路可投射至大脑特定核团，调节广泛的潜意识视觉行为，从基础生理调节(如心率和瞳孔大小)到更复杂的行为调节(如昼夜节律)，甚至更高层次的认知过程(如焦虑等情绪)。

2.1 ipRGCs与PLR

PLR属于NIFV，是机体通过调节瞳孔大小从而控制进入眼内的光量，对维持正常视觉功能至关重要。瞳孔的收缩和扩张可控制在不同光照强度下进入眼内的光量。当光照较弱时，瞳孔扩张，促使更多的光量能够进入眼内。当光照增强时，瞳孔收缩，从而减少进光量。过去曾认为PLR仅由视杆细胞、视锥细胞信号驱动。Lucas等[12]研究发现，缺乏视杆细胞和视锥细胞的小鼠PLR的灵敏度仅降低，而视杆细胞、视锥细胞和黑视蛋白的同时缺失导致了PLR完全丧失，最终证实了无视杆细胞和视锥细胞的动物中，PLR主要由ipRGCs介导。

表达黑视蛋白的RGCs作为主要的输出神经元，其轴突向OPN投射，在PLR中起主要作用[13]。Hattar等[14]研究发现，M1型ipRGCs轴突投射至OPN。随后，Baver等[15]运用tau-lacZ+/-小鼠结合示踪病毒工具技术表明，投射至OPN的ipRGCs中，55%为M2型ipRGCs，45%为M1型ipRGCs。事实上，这2种类型的ipRGCs也对应OPN中不同的投影区域，M1型ipRGCs轴突投射于OPN壳区，M2型ipRGCs投射于OPN核区。Li等[11]运用Opn4LacZ和Brn3bz-dta小鼠进行了进一步分类，揭示了投射至OPN的M1型ipRGCs为Brn3b(+)。最近，Beier等[16]研究发现，过去传统的接受光感受器来源信号的RGCs的轴突也能投射到OPN区，但传统的RGCs是否也能参与PLR，目前尚不清楚。

2.2 ipRGCS与昼夜节律和睡眠

大多数生物，从细菌到植物、昆虫到哺乳动物，都是以内源性24 h的自由运行周期变动的，称为昼夜节律。昼夜节律系统对于生物调节生理和行为活动必不可少，主要通过光的调节与24 h昼夜节律保持同步。为了观察传统RGCs和ipRGCs对昼夜节律的调控，Beier等[16]采用Opn4Cre/+;Rosa26CAG-tdTomato-eGFP/+小鼠玻璃体腔内注射AAV2-hSyn-Flpo，发现ipRGCs作为主要的输出神经元，其轴突投射至下丘脑的SCN，调节昼夜节律。SCN由2个不同的区域组成，其中位于腹外侧区(核区)的SCN接受了大多数光信号；位于背内侧区(壳区)的SCN是主要的内在周期节律发生器，也受光信号的支配。有研究表明，调控昼夜节律的ipRGCs中80%为M1型ipRGCs，20%为M2型ipRGCs[15]。而ipRGCs主要通过2种途径与SCN建立联系：(1)光信号直接通过下丘脑束从视网膜直接到达SCN，释放谷氨酸和垂体腺苷酸环化酶激活肽；(2)间接通过膝状下丘脑束释放神经肽Y[17]。SCN产生的信号还可以对睡眠以及体温进行调节，从而与整个身体的周期节律同步。

小鼠作为夜行动物，夜间活跃，白天睡觉。在野生型小鼠的夜晚早期(如环境时间为14～17 h)给予光脉冲刺激时，小鼠睡眠可增加。当实验组为黑视蛋白敲除的Opn4aDTA品系小鼠时，昼夜节律调节和光诱导睡眠调节均消失[18]。此外，ipRGCs-VLPO/SC投射通路中c-Fos表达也减少[19]。因此，不管是在昼夜节律还是光诱导睡眠及体温的调节中，ipRGCs都发挥着重要作用[20]。

2.3 ipRGCS与情绪和学习调节

异常光信号可影响昼夜节律和睡眠，同时可导致小鼠和人情绪与学习功能的紊乱[21-22]。LeGates等[23]将小鼠暴露于T7(3.5 h光照和3.5 h黑暗)循环周期中，造成了小鼠抑郁行为和海马依赖性学习缺陷。然而在M1型ipRGCs敲除的Opn4aDTA/aDTA小鼠中，暴露于T7光/暗周期时，未出现类似缺陷，证明ipRGCs参与对情绪和学习的介导。

SCN在调控学习和记忆方面起着主导作用，昼夜节律可能也通过SCN与情绪和学习调节建立联系，从而影响情绪和学习[24]。有研究显示，这种对情绪的调节是由ipRGCs(可能为M1型)直接投射到外侧缰核边缘区(perihabenular nucleus，pHb)和LHb而造成[23，25]。也有数据表明，M4型ipRGCs可特异性激活vLGN/IGL-LHb通路的LHb从而降低小鼠的抑郁样行为，这也为光治疗抑郁症提供了新的潜在靶点[26]。此外，研究表明终纹床核、室旁核和中脑导水管周围灰质等也与情绪调节相关[22，27]。

为模拟光信号的异常支配ipRGCs-SCN通路对学习记忆的影响，Fernandez等[22]使用Opn4Cre/+;Brn3bzDTA/+品系小鼠证明了光信号通过Brn3b(-)的ipRGCs对学习的调控，这也与先前研究SCN可调控海马相关的学习结果相一致[28-29]。ipRGCs除了可投射到SCN外，也可投射到IGL，导致T7周期下的学习障碍。基于目前的研究，SCN仍被作为光信号对学习影响的主要因素。

2.4 ipRGCS与摄食、记忆、警觉行为

光信号会对人类或者夜间活动的啮齿动物的生理以及行为造成各种影响[30-31]。Fernandez等[32]研究发现，ipRGCs可接受光信号并传递至SCN-中央昼夜节律起搏器-IGL，释放神经肽Y，进而调控限时进食行为，揭示ipRGCs可通过SCN-IGL通路调控饮食节律协同化过程。急性光暴露可激活涉及唤醒、注意力和记忆的皮层和皮层下网络。夜间活动的啮齿类动物中表现出对光厌恶。高亮光可以促进或破坏记忆功能，提高警觉性[33]。也有文献报道，视上核参与多种生理功能(如麻醉、炎症性疼痛过程以及口渴等)[33-34]，但是否由视觉环路输出信号目前尚不清楚。

3 小结

光信号对生理及行为产生诸多影响，从调节昼夜节律到PLR，再到情绪、警觉性、学习、睡眠和记忆。光可对人体产生复杂多样的调控作用，ipRGCs的发现已有近20年的历史，但其在NIFV中的作用还有很多未知。如ipRGCs如何整合视杆细胞和视锥细胞的信号从而调控NIFV？ipRGCs的不同亚型如何调节生理和行为？在ipRGCs投射的约20个脑区中，其下游脑区神经元突触靶点分别是什么，又如何传导至下游靶标以影响相应的生理功能？这些未知尚待进一步研究。NIFV是对光的重要反应，ipRGCs在NIFV中起着至关重要的作用。随着研究者对NIFV认识的不断加深，NIFV的临床意义也日益突显，NIFV如何具体调控人类生理机能是视觉科学研究中值得关注的方向。

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