视觉既可以实现由基于对比度的通路驱动的图像形成感知，也可以实现由基于辐照度的通路驱动的无意识的非图像形成昼夜光干扰。虽然两种不同的光感受器种群专门用于每种视觉任务，但在不同物种中，图像形成的光感受器还可以促进生物钟的光干扰。然而，目前尚不清楚图像形成的光感受器通路如何在功能上实现昼夜光诱导所需的辐照信号与图像感知所需的对比度信号的分离。
2023年10月25日，北京大学罗冬根团队在Nature在线发表题为“A single photoreceptor splits perception and entrainment by cotransmission”的研究论文，该研究报道果蝇R8光感受器通过共同传递两种神经递质，组胺和乙酰胆碱来分离图像形成和辐射信号。这种分离在突触后通过表达组胺受体的单柱视网膜定位神经元和表达乙酰胆碱受体的多柱整合神经元进一步建立。
在光-暗循环的光阶段，R8光感受器的乙酰胆碱传递由共传递组胺的自分泌负反馈维持。在行为水平上，组胺和乙酰胆碱传递的消除分别损害了R8驱动的运动检测和昼夜节律光干扰。因此，单一类型的光感受器可以早在第一个视觉突触时就实现视觉感知和昼夜节律光干扰的二分法，揭示了一种简单而强大的机制，将不同的感觉特征分离并转化为不同的动物行为。
昼夜节律光干扰的辐照信号可以通过传统的图像形成视觉途径产生，这一原理在不同物种中是保守的。在哺乳动物中，视觉开始于视网膜杆状和锥状光感受器的光探测，并通过在大多数双极细胞中构建中心环绕的对抗性接受野，牺牲绝对辐照度信息来提取局部对比度。
有趣的是，双极细胞也将杆状细胞和锥状细胞的辐照度信息传递给内在光敏的视网膜神经节细胞，这是昼夜光干扰所必需的。与负责图像形成视觉的传统视网膜神经节细胞不同，大多数具有光携带生物钟的内在光敏视网膜神经节细胞即使在杆状和锥体输入时也不会表现出中心周围的拮抗感受野，这与它们编码整体辐照度而不是对比度的作用是一致的。然而，目前尚不清楚传统的光敏视网膜神经节细胞上游的杆状和锥状回是否以及如何产生辐照信号并将其与图像形成信号分离。果蝇大脑中的生物钟也接收来自传统视网膜光感受器的辐射信号，但与哺乳动物一样，产生和分离辐射信号的潜在神经机制尚不清楚。
R8光感受器使用组胺进行运动检测，使用乙酰胆碱进行昼夜光干扰（图源自Nature）
该研究确定了一种在果蝇视觉系统中实现这种分离的机制。一种单一类型的视网膜感光细胞通过在第一个视觉突触共同传递两种神经递质来分离视觉感知和昼夜节律光带，举例说明了视网膜多任务需求的简单而强大的解决方案。该研究表明，视觉感知和昼夜节律光诱导可以早在视觉系统的一级突触中分离，提供了一种简单而强大的机制来实现不同的感觉功能。此外，尽管神经递质的共传递或共释放是大脑研究中的一个新兴原理，但其行为意义在很大程度上仍然未知。该研究发现，来自相同感光细胞的共传递能够将不同的视觉特征分离并转化为不同的行为，这也为理解神经系统的这一关键、不可或缺的方面奠定了基础。
罗冬根研究员为该论文通讯作者；晓娜博士（2016级前沿交叉学科研究院博士生）、徐爽（2020级生科院博士生）、李泽楷（2022级生科院博士生）为该文共同第一作者；前实验室成员唐敏博士（Southwestern University）和李梦彤博士（Columbia University）、杨甜（2018级生科院博士生）、马思行（2020级生科院博士生）、王鹏浩（2019级生科院博士生）、毛仁波博士（北京脑科学与类脑研究所）、Ajay Sunilkumar（Université Paris-Saclay）、François Rouyer教授（Université Paris-Saclay）和曹丽慧教授（首都医科大学）为本文做出重要贡献。
该研究获国家自然基金委、科技部科技创新2030（脑计划）、膜生物学国家重点实验室、生命科学联合中心、和北京脑科学与类脑研究所支持。
罗冬根实验室近年来在昼夜节律和感觉编码方面取得了一系列重要的原创性结果。实验室目前在这两方向利用果蝇和小鼠结合分子生物学、动物行为和神经电生理等方法进行深入研究，诚招相关专业的特聘研究员、博士后和研究助理。欢迎有扎实分子生物学、或神经环路、或神经电生理和成像、或动物行为研究背景者应聘，简历请投递至：dgluo@pku.edu.cn
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06681-6
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