侏儒型神经节细胞的解剖结构及其核心组成部分：比看上去要复杂得多

《Vision Research》：Midget ganglion cell anatomy and center structure: More complex than it looks

视网膜midget神经节细胞中心大小与解剖学结构及光学因素的不符现象，指出传统单锥输入的"私人线路"假说需修正，并讨论视网膜离心率增加时双极细胞汇聚对中心形态的影响。

　　

巴里·B·李

纽约州立大学视光学学院，纽约州纽约市10036，美国

摘要

通常认为，灵长类动物视网膜中的侏儒神经节细胞的中心接收来自黄斑区及其附近的单个锥细胞的输入，从而为大脑提供了一条“专用通道”。因此，生理中心的尺寸应该与单个锥细胞的采样孔径相当。然而，实际测量到的生理中心尺寸要大得多，部分原因是由于光学模糊的影响。随着视网膜偏心的增加，锥细胞的尺寸也会增大，但光学特性变化不大。尽管如此，生理中心的尺寸仍然远大于解剖学预期的大小。当视网膜偏心度进一步增加时，视网膜双极细胞的汇聚现象开始出现，并且在更大的偏心度下这种汇聚变得更加明显。理论上，当两个侏儒双极细胞汇聚到一个神经节细胞上时，中心应该表现出明显的各向异性，但尚未有相关报道。此外，树突结构的各向异性也可能导致中心形状的不规则性。尽管解剖学与生理学之间存在这些差异，但它们对于理解侏儒神经节细胞的信息处理过程至关重要。因此，可能需要重新审视“专用通道”假说，以解释这些不一致之处。

引言

将结构与功能相结合是视觉科学的主要目标。灵长类动物的视网膜为这种结合提供了良好的基础：一方面，细胞反应可以与光感受器的光吸收和视网膜解剖结构相关联；另一方面，视网膜的输出可以与灵长类动物的感知表现（包括人类）联系起来。过去几十年里，我们对灵长类动物视网膜的理解取得了重大进展，人们常常认为结构与功能之间的关系是确定的。从这个角度来看，我将重点讨论灵长类动物视网膜解剖学中的一个方面，该方面存在明显的结构与功能之间的差异，并探讨其潜在的影响。

灵长类动物视网膜中的小细胞（PC）通路起源于视网膜中的侏儒神经节细胞（RGC）。它为颜色视觉提供了红绿维度，并在空间视觉中起重要作用；另一条主要通路是大细胞（MC）通路，起源于伞形神经节细胞（parasol RGC），主要负责运动和形态视觉。在中央视网膜的侏儒神经回路中（Boycott和Dowling，1969年；Polyak，1941年），解剖学研究表明，一个中等（M）或长（L）波长的锥细胞为两个侏儒双极细胞提供输入，每个双极细胞再分别与一个侏儒神经节细胞相连，从而形成感受野（RF）的中心。这种连接方式被称为“通往大脑的专用通道”（W?ssle，2004年）。有一种假设认为，单个锥细胞中心的存在是为了支持空间视觉，进而为红绿色彩信号的生成提供了基础，这种信号是通过L锥细胞和M锥细胞活动的差异产生的，这种现象称为锥细胞对立（cone-opponency）。本文的目的是指出侏儒RGC解剖学特征与其测量得到的中心结构之间的异常之处。W?ssle及其同事（Peichl和W?ssle，1979年；Peichl和W?ssle，1981年；W?ssle等人，1981年）提出了RGC中心的通用模型。研究发现，感受野的中心大小和形状与RGC的树突结构密切相关。那么，侏儒RGC的解剖结构是否符合这一通用模型呢？要回答这个问题，不仅需要考虑视网膜的解剖学和生理学特性，还需要考虑眼睛的光学特性。

如前所述，每个锥细胞对应一个“活跃”的侏儒双极细胞和一个“不活跃”的侏儒双极细胞（W?ssle和Boycott，1991年）。在黄斑区附近，每个双极细胞都对应一个侏儒神经节细胞。为了直观展示这种连接方式，图1A展示了一个人类黄斑区的锥细胞矩阵（Curcio、Sloan、Kalina和Hendrickson，1990年）；锥细胞的直径约为0.5角分。图1B中的高尔基体切片（来自猕猴黄斑区的凹陷处，Boycott和Dowling，1969年）显示了一个侏儒双极细胞，它与一个锥细胞相连。随后，双极细胞的轴突分支与侏儒神经节细胞的树突结构紧密接触；下方的侏儒RGC的树突结构与之相匹配。这种大致一对一的连接关系已在电子显微镜研究中得到证实（Calkins等人，1994年；Kolb和Dekorver，1991年）。图1C（Martin和Lee，未发表）中的玻璃体方向显微照片显示了黄斑区附近的猕猴侏儒神经节细胞的树突结构，其直径约为2-3角分，远大于锥细胞的直径。

锥细胞不汇聚到神经节细胞上的情况较为罕见；更常见的模式是大细胞（MC）通路中的伞形神经节细胞，其中多个锥细胞汇聚到一个扩散型双极细胞上（Boycott和W?ssle，1991年），然后再由这些扩散型双极细胞汇聚到伞形神经节细胞上。如上所述，对于大多数类型的神经节细胞而言，感受野中心的尺寸由这种汇聚决定，通常略大于神经节细胞的树突结构尺寸（Peichl和W?ssle，1981年；W?ssle等人，1981a；W?ssle等人，1981b）。然而，对于仅接收单个锥细胞输入的中央视网膜侏儒神经节细胞来说，情况应有所不同。感受野中心的尺寸应该由锥细胞的采样孔径决定，而不是视网膜后部的树突结构。但随着视网膜偏心的增加，其他因素（如侏儒双极细胞之间的汇聚）也会变得重要，这会影响中心的尺寸和结构。

感受野的结构通常通过空间频率（SF）调谐曲线来研究。这些曲线的高频截止值与中心半径相关。相反，通过SF调谐可以预测中心的尺寸。这种方法便于将解剖学和光学预测与生理学（以及心理物理学）数据联系起来，为不同方法和研究之间架起桥梁。

关于锥细胞分布和眼睛光学特性的研究（以及心理物理学研究）主要基于人类样本，而RGC的解剖学和生理学数据大多来自猕猴。这两种物种之间的主要区别在于眼睛的大小，猕猴的眼睛比人类小20-25%。因此，猕猴的视觉敏锐度低于人类（Cavonius和Robbins，1973年）。在后续分析中，我对猕猴的数据进行了调整以补偿这种尺寸差异。文中会特别强调这一点。此外，引用了来自猕猴视网膜和外侧膝状核（LGN）的生理学数据。在哺乳动物中，主要来自猫的研究（Cleland等人，1971年；Cleland和Lee，1985年）表明，RGC到LGN神经元的汇聚程度很小。来自猕猴的数据（Kaplan和Shapley，1984年；Lee等人，1983年）也得出了类似结论，关于视网膜和LGN的生理学特性报告基本一致。

我回顾了不同视网膜偏心度下的研究数据，并试图指出数据与假设之间的不一致之处。似乎在侏儒RGC中，将结构与功能联系起来比通常认为的更为复杂。

方法

计算中使用的参数来自相关文献。人类锥细胞的直径和间距（以微米为单位）已有明确的研究（Curcio等人，1987年；Curcio等人，1990年），猕猴的数值在微米尺度上也相似。如前所述，当考虑视角角度时，眼睛大小的差异会影响结果，因此视网膜尺寸以人类角分为单位表示，猕猴的数据已进行相应调整。

从功能角度来看，...

黄斑区的侏儒神经节细胞

本节及后续章节的目标是测试解剖学（和光学特性）在多大程度上能够预测生理中心的尺寸。计算了不同偏心度下侏儒感受野中心的SF调谐特性，并与生理测量结果进行比较。

对于黄斑区的侏儒神经节细胞，从解剖学角度来看，中心应由单个锥细胞决定。通过使用干涉条纹技术（绕过光学模糊的影响），已经获得了黄斑区锥细胞采样孔径的估计值。

讨论

这项分析提出了关于侏儒神经节细胞通路中结构与功能关系的新观点。解剖学（和光学）数据预测的侏儒RGC中心形状和尺寸与生理测量结果不符。我总结了几个关键点。

在黄斑区，侏儒神经节细胞的形态表明单个锥细胞为感受野中心提供输入，但实际测得的中心尺寸应远小于预期。光学模糊效应会使中心尺寸增大。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。本文未获得任何资助。

致谢

我想感谢Bob Shapley的深入讨论，以及Bob和Paul Martin对手稿提出的宝贵意见。