神經細胞經特殊的連接點——突觸連接起來所組成的神經環路是神經系統（腦）的基本功能單元，其通過釋放某種化學物質（神經遞質）實現細胞間的信号傳遞。不同的神經細胞釋放不同的遞質，從而行使不同的功能。視覺作為機體最重要的感覺之一，其主要功能是分辨圖像（圖像視覺），其它功能（非圖像視覺）則與圖像生成并無直接關聯，而起着重要的輔助作用（如對晝夜節律的調節等）。盡管研究者們很早就認識到，視覺系統的這兩種功能分别通過兩類感光細胞來實現：一類解析局部反差，另一種解析整體光亮度^1,2；同時近年的研究表明，産生局部反差的感光細胞也能傳遞整體光亮度^3,4，但其神經機制尚不清楚。2023年10月25日，beat365官方网站、麥戈文腦科學研究所、定量生物學中心、生命科學聯合中心羅冬根團隊在Nature發表題為“A single photoreceptor splits perception and entrainment by cotransmission”的研究論文，報道了果蠅同一感光細胞同時釋放兩種遞質分離兩種不同視覺功能的神經機制。

雖然果蠅複眼不同于脊椎動物的眼，但它們有着非常保守的視覺功能和機制⁵。得益于其豐富的可用于标記和操縱視覺通路的遺傳工具，果蠅成為當前視覺研究的一種重要模式動物。在上述研究中，羅冬根團隊應用國際領先的果蠅大腦神經元的單電極及多電極膜片鉗電生理記錄技術，揭秘了複眼調節生物節律的神經機制。研究發現果蠅複眼的一種感光細胞同時釋放組胺和乙酰膽堿作為神經遞質，其中組胺介導精細的運動視覺，而乙酰膽堿則通過作用于該團隊新發現的“巨無霸”傘形神經元（按其形态特征aMe-innervating, multicolumnar, and arcuate shape命名為AMA神經元）來調節晝夜節律。每個AMA神經元的樹突像巨傘一樣延伸覆蓋了整個視覺腦區，且不同AMA間通過突觸連接在一起，從而整合大視野光亮度信息。這些是實現非圖像視覺功能所需的理想特性。此外，組胺和乙酰膽堿間還存在相互調控。這些重要的發現提示，果蠅視覺信号的分離源于視覺信号發生的最初階段（光感受細胞以一個細胞釋放兩種遞質），是一種新的視覺信号傳遞模式（圖1）。

圖1：R8感光細胞分離圖像和非圖像視覺的神經機制

在哺乳動物中，有些視覺信号的分離用“一遞質，兩受體”方式，即使用一種遞質和有相反電信号的兩種受體。該工作揭示了在某遞質（如果蠅的組胺）無相反電信号受體的條件下，感光細胞高效分離視覺信号的策略，極大促進了領域内對視覺形成和生物節律的理解。值得注意的是，哺乳動物很多腦區也有“一細胞，兩遞質”現象，但其生理功能卻還鮮為人知，所以該工作還為“一細胞，兩遞質”的研究提供了新的範式和思路。

此外，該研究中發現的AMA神經元和該團隊最近報導的xCEO（extra-Clock Electrical Oscillator，生物鐘外的振蕩神經元）屬于同一類神經元，說明這類巨傘形振蕩神經元不僅能在光暗變化時實現内源節律與外部時間相同步⁶，還能在恒定黑暗條件下維持晝夜節律⁷，由此可知其對晝夜節律調控有着至關重要的作用。

羅冬根研究員為該論文通訊作者；曉娜博士（2016級前沿交叉學科研究院博士生）、徐爽（2020級生科院博士生）、李澤楷（2022級生科院博士生）為該文共同第一作者；前實驗室成員唐敏博士（Southwestern University）和李夢彤博士（Columbia University）、楊甜（2018級生科院博士生）、馬思行（2020級生科院博士生）、王鵬浩（2019級生科院博士生）、毛仁波博士（北京腦科學與類腦研究所）、Ajay Sunilkumar（Université Paris-Saclay）、François Rouyer教授（Université Paris-Saclay）和曹麗慧教授（首都醫科大學）為本文做出重要貢獻。該研究獲國家自然基金委、科技部科技創新2030（腦計劃）、膜生物學國家重點實驗室、生命科學聯合中心和北京腦科學與類腦研究所支持。

羅冬根實驗室近年來在晝夜節律和感覺編碼方面取得了一系列重要的原創性結果。實驗室目前在這兩方向利用果蠅和小鼠結合分子生物學、動物行為和神經電生理等方法進行深入研究，誠招相關專業的特聘研究員、博士後和研究助理。歡迎有紮實分子生物學、或神經環路、或神經電生理和成像、或動物行為研究背景者應聘，簡曆請投遞至：dgluo@pku.edu.cn

原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06681-6

參考文獻：

1.        Sanes, J.R. & Zipursky, S.L. Design principles of insect and vertebrate visual systems. Neuron 66, 15-36 (2010).

2.        Lazzerini Ospri, L., Prusky, G., & Hattar, S. Mood, the circadian system, and melanopsin retinal ganglion cells. Annu. Rev. Neurosci. 40, 539-556 (2017).

3.        Saint-Charles, A. et al. Four of the six Drosophila rhodopsin-expressing photoreceptors can mediate circadian entrainment in low light. J. Comp. Neurol. 524, 2828-2844 (2016).

4.         Güler, A.D. et al. Melanopsin cells are the principal conduits for rod-cone input to non-image-forming vision. Nature 453, 102-105 (2008).

5.        Sanes, J.R. & Zipursky, S.L. Design principles of insect and vertebrate visual systems. Neuron 66, 15-36 (2010).

6.        Xiao, N. et al. A single photoreceptor splits perception and entrainment by cotransmission. Nature 622, (2023).

7.        Tang, M. et al. An extra-clock ultradian brain oscillator sustains circadian timekeeping. Science advances 8, eabo5506 (2022).