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一个“小杯子”的发育承载了光明的驶来

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时间:2016-08-30  来源:文本大小:【 |  | 】  【打印

  “小屋完全被葡萄藤、蔷薇和金银花覆盖了,从远处望去,屋子就好像一座美丽的大凉亭。小阳台则因为有满眼的黄蔷薇和南方茯苓花,所以也变成了鸟雀和蜜蜂的乐园。”这是美国伟大的盲人女作家海伦·凯勒根据自己儿时那段仅有的光明时光所回忆出自己住所的样子。海伦·凯勒在19个月大的时候不幸罹患猩红热,全身持续高烧不止。当高烧褪去后,幸运的海伦虽保住了生命,但持续高烧的后果还是让海伦成为了一个不幸儿。死神擦肩而过,同时也偷偷带走了海伦的视力和听力。 

  眼睛和耳朵是我们感受外界事物最重要的通道,我们可以轻易地想象一岁多的孩童在忽然丧失与外界交流的途径时所出现的恐慌。海伦开始变得异常焦躁,进而抑郁,再而渐渐失去对生活的渴望。然而就在这时,教师安妮·莎莉文的出现让海伦渐渐开始学会用心灵的眼睛去感受世界,从而成就了她的伟大。

海伦·凯勒与教师安妮·莎莉文摄于1888年7月(图片来源于维基百科)

  对于感受大千世界的最重要器官——眼睛来说,视网膜在其中扮演了至关重要的角色。脊椎动物的视网膜,从外形上看像一个小杯子,故又称视杯,而正是这个“小杯子”的出现和成熟带领着我们驶向光明。 

  “小杯子”的“身世”之谜 

  有着如此重要功能的“小杯子”,它的成长历程是怎样的呢?它是如何发育而来呢? 

视泡和视杯结构 

图片来源于Nadean Brown实验室(加利福尼亚大学戴维斯分校)主页 

  在进化的漫漫历史长河中,视网膜组织大致是从涡虫的眼点进化而来。涡虫的眼点仅有两个细胞组成,一个感光细胞接受光信号并转化为电信号,另一个色素细胞吸收多余的光刺激,同时可以遮挡来自另一面的光线,从而使动物能够感知光线的来源方向[1]。但如此简单的结构并不能实现观察万物、洞悉世界,所以更为复杂的结构,也就是我们熟悉的“小杯子”,便演化出来了。 

涡虫的眼点以及细胞组成 

Pc, 色素细胞; PcN, 色素细胞胞核; Mv, 微绒毛; Ph, 光感细胞; PhN,光感细胞胞核. 

图片来源于百度百科以及Gehring,2011 

  “小杯子”内可不仅仅由涡虫眼点的这两个细胞组成,人类视网膜中大概包含有上千万甚至上亿个细胞。这些细胞主要可以分为六大类:其中包括五类神经元,分别是感光细胞(分为视锥细胞和视杆细胞)、水平细胞、双极细胞、无长突细胞和神经节细胞;还有一类贯穿上下的胶质细胞,即Müller细胞。在视网膜外侧还排列有一层色素上皮细胞,它们和视网膜细胞在空间上排列成相应的顺序结构,从而执行相应的功能。外侧的色素上皮起保护视网膜内神经细胞的作用,内侧的神经元细胞主要负责将外界信息传递到大脑,而胶质细胞则主要起支持神经细胞的功能。它们相互支持,相互配合,共同引 导着光明的驶来。 

视网膜内细胞组成 

  现在,包括人在内的脊椎动物,其视网膜的视杯结构是从胚胎发育早期视网膜原基的视泡结构经过细胞迁移、结构翻转等细胞运动逐渐形成的[2,3]。视杯形成之后,视网膜外侧的色素上皮细胞、内侧的各类神经元以及胶质细胞便依次成熟。有趣的是,所有这些细胞在发育伊始拥有共同的祖细胞,即视泡结构内的视泡祖细胞。视泡祖细胞经过一系列的分裂分化形成视网膜结构所必需的色素上皮细胞、神经元和胶质细胞。[4] 

  随着发育的进行,视网膜外侧的色素上皮祖细胞和视网膜内的神经祖细胞首先“分道扬镳”,前者主要形成色素上皮细胞,后者则分化出视网膜内神经元细胞和胶质细胞。 

  21世纪的今天,人们都知道视网膜内细胞主要由神经元细胞和神经胶质细胞构成,它们都来自于视网膜内神经祖细胞。但是,在20世纪前期,科学界却认为存在两类视网膜祖细胞,一类产生神经元细胞,而另一类则产生胶质细胞。也就是说,神经元细胞和神经胶质细胞有各自的“mother细胞”。但随着技术的推进,科学家们可以实现原位实时追踪单个神经祖细胞的发育。他们惊奇地发现视网膜单个神经祖细胞既可以分化出神经元,又可以分化出胶质细胞,也就意味着这两类功能不同的细胞来自于一个“mother细胞”。这个发现构成现在人们对视网膜神经干细胞以及整个神经系统神经干细胞的一个基本认识,即:神经祖细胞不存在神经细胞和胶质细胞各自的“mother细胞”,它们都来自于一个共同细胞,即神经干细胞[5] 

  “小杯子”内细胞的“降生” 

  既然“小杯子”里所有成熟的细胞都来自于共同的“mother细胞”,那么他们的出生是否有顺序呢?是否有特定的“大娃”,“二娃”,“三娃”,“四娃”呢?同样来自于在体实时追踪实验,科学家们发现,视杯内成熟细胞的出生确实是遵循一定的先后顺序。 

  在介绍各类细胞出生顺序之前,先来熟悉一下视网膜内成熟细胞的空间分布。视网膜分布在晶状体之后。外界光线透过晶状体进入视网膜,实现外界与内部的联系。顺着光线的方向,依次排列着神经节细胞、无长突细胞、双极细胞、水平细胞以及感光细胞。

视网膜内细胞的空间结构 

  那么他们的出生顺序是怎样的呢?与其空间分布会有怎样的关系呢?科学家们发现视杯内最先成熟的是视神经节细胞,然后是无长突细胞、水平细胞,感光细胞和双极细胞在其后产生,最后生成的是Müller细胞。前面提到了,视网膜内细胞的空间分布顺着光线的方向从外向内依次是视神经节细胞,双极细胞以及感光细胞,有趣的是,细胞的产生顺序也大致是从外向内的,即视神经节细胞先产生,然后再是感光细胞和双极细胞。[6] 

  视神经节细胞处于视网膜的最外层,而出生顺序确是“大娃”,这可能与其在视网膜传输信号中处于中枢地位相关。视网膜感受外界刺激的过程主要是这样的:外界的光刺激首先由感光细胞接受,然后转化为电信号传递给双极细胞,再由双极细胞传递给视神经节细胞,在这个过程中,两类抑制性神经元——水平细胞和无长突细胞参与到对电信号的调控过程。经过传递和整合的信息最后由视神经节细胞从视网膜传出进入大脑。视神经节细胞的优先出生对于视网膜神经环路的构建起指导性作用。这也就不难理解为什么视神经节细胞是视网膜成熟细胞的“大娃”。 

  挖掘“小杯子”发育的秘密 

  “小杯子”的发育一直受到科学家的青睐,不仅仅是因为这其中有很多未知的秘密,更是因为人们想要尝试去解决一些眼科疾病的难题。在现代社会中,越来越多的视网膜疾病让科学家们和临床医生们开始有了越来越多的合作。就比较常见的视神经坏死来说,科学家和医生们正在尝试利用干细胞在体特异性地诱导产生视神经节细胞,从而去补充损坏的视神经,实现对视神经通路的修复。这种方法听上去很有效,但实际情况却是不容乐观的。这其中就有几大亟待解决的问题:1)如何能够高效定向诱导产生视神经节细胞,而不产生其他类型的神经元;2)如何能够实现视神经与视网膜各类神经以及大脑中的神经元的准确联结;3)如何保证诱导产生的视神经节细胞稳定生存。若能真正解决以上难题,那么失明人重见光明指日可待。 

  所以,神奇的“小杯子”虽然小,还有很多奥秘等着我们去探究、去挖掘。我们期待有一天可以对“小杯子”的发育了如指掌,那么我们就有理由去期待光明随之而来。

    (作者:中科院上海生命科学研究院神经科学研究所 徐佰杰 

    参考文献:

  [1] Walter J. Gehring (2011) Genome Biol. Evol. 3, 1053–1066 

  [2] Kristen M. Kwan et.al (2012) Development 139, 359-372 

  [3] Stephan Heermann et.al (2015) eLife4:e05216 

  [4] J.C. Chuang et.al (1999) Mech. Dev., 84, 195–198 

  [5] Arturo Alvarez-Buylla et.al (2001) Nature Reviews Neuroscience 2, 287-293 

  [6] Erin A. Bassett et.al (2012)Trends in Neurosciences 35, 9 

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