从视锥细胞到脑-色觉形成的神经通路

从视锥细胞到脑-色觉形成的神经通路 国际眼科纵览2006年12月堕30鲞箜塑基Q坠!旦!!!里!:: 从视锥细胞到脑一色觉形成的神经通路 刘睿褚仁远 【摘要】完备而复杂的三色视觉系统是人类和大部分灵长类动物所特有的.色觉 信息始于视网 膜上光感受器经复杂的神经网络向大脑皮层传递,并经各级神经元的编码处理产 生色觉.本文复习 了近年来色觉研究的成果和进展.重点就色觉信息在外侧膝状体核,视皮层Vl 区,v2区及v4区的 传递通路作一综述. 【关键词】色觉;视觉通路;膝状体;视皮层 人类和大多数灵长类动物拥有三色视觉,因而 可以感受五彩斑斓的自然世界,获得最大最丰富的 信息量.色觉始于视网膜上L,M和S三种视锥细 胞感受器,分别对应的最大光谱吸收峰值为565nm, 535nm和440nm….视锥细胞接受外界色觉信息 后,转换为电化学信号,经过包括视网膜在内各级神 经元所组成的复杂网络,经过层层编码,处理,最后 传递到大脑的视皮层,形成人们眼中缤纷多姿的彩 色世界.本综述从最先感受外界色觉信息的视锥细 胞开始,经外侧膝状体核,直至大脑皮层色觉的纹外 中枢V4区,重点阐述色觉信息在外侧膝状体核和 视皮层的处理通道. 一 ,视网膜中色觉信息的编码与处理 自19世纪以来,从光感受器开始的色觉信息的 传递主要存在两种理论,即Young—Helmholtz的三 色理论以及Hering的色拮抗理论.这两种理论虽 有各自的实验依据,但目前仅能解释色觉的部分现 象.现代色觉理论将色觉的处理过程分为两个阶 段;第一阶段视网膜上的L,M,S锥细胞分别对红, 绿,蓝光反应产生三色机制.第二阶段视觉信息进 一 步向大脑皮层传递的过程中产生色拮抗机制.这 种阶段理论将三色理论和和色拮抗理论有机地结合 起来,可更好地解释色觉产生过程中的信息传递方 式.在视锥细胞之后的信息传递通路上,存在两条 色拈抗通路:"红一绿"通路即L/M通路,"蓝一黄" 通路即S/L+M通路.这两种从生理上定义的平行 基金项目:国家自然科学基金重点项目(30530770) 作者单位:200031上海.复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科 通讯作者;褚仁远,Email:churenyuan@hotmail.Corn . 综述. 通路是构建人类色觉红绿,蓝黄知觉轴的基础【2. (一)红一绿拮抗通路(L/M通路) 在黄斑中心10度以内的中央视网膜,一个侏儒 型双极细胞接受外层视网膜上L或M视锥细胞感 受器的输入,并和单个侏儒型神经节细胞相连,建立 从单个视锥细胞向大脑传输信息的"专线"【3J.然 而,在离黄斑中心20,50度的周边视网膜,由于众 多双极细胞汇聚到单个树突直径扩大的侏儒型神经 节细胞,这种"专线"传递结构遭受破坏【4J.L或M 型锥细胞与侏儒型双极细胞之间的联系究竟是选择 性的还是随机的,目前尚无定论'.但从人类周 边视网膜色觉敏感的迅速降低似乎更支持随机连接 的假设j. (二)蓝一黄拮抗通路(S/L+M通路) 小双纹理神经节细胞(smallbistratifiedganglion cel1)被认为是建立"蓝一ON一黄一OFF"拮抗通路的形 态学基础.视网膜上的"蓝锥双极细胞"选择性地与 s锥细胞连接,并将这种ON(给光)信号输入至小双 纹理神经节细胞的内层树突,其外层树突则接受L 和M锥细胞相对较弱的OFF(撤光)信号的输入,这 样建立了完整的S/L+M拮抗通路"].然而,根据 Dacey等的最近一项研究结果提示,s锥细胞的拮 抗信号实际上起源于多种特殊的神经节细胞亚群, 而不仅是小双纹理神经节细胞,这对色觉拮抗的视 网膜起源和机制提出了新的问. 二,视网膜神经节细胞到外侧膝状体核fLGN) 的色觉传递通路 (一)视网膜神经节细胞和LGN细胞的分类和 功能 从解剖投射和生理学角度,猴的视网膜神经节 垦匿型堕堡旦箜鲞箜塑坐!!, Ophthalmol,Decembr2006,Vol30.No. 6 细胞主要分为M型和P型.P型神经节细胞与M 型神经节细胞相比具有较小的感受野中心,高的空 间分辨率且对颜色敏感.而在M和P型神经节 细胞之外,还存在少量的各种非M一非P型神经节细 胞,部分对不同波长光敏感.LGN主要分为6层, 定义为背侧的小细胞(P)层(3,4,5,6层)和腹侧的 大细胞(M)层(1,2层),各层细胞之间又由K细胞 层所分开.各细胞层均为单眼所驱动,其中1,4, 6层接受对侧眼输入,而2,3,5层则接受同侧眼的 输入.P细胞对不同颜色的光有精细的分辨能 力,K细胞则接受蓝色敏感神经节细胞"ON"信号的 输入而参与色觉信号的传递,而M细胞并无颜色选 择性.尽管K细胞中还包括了其他一些亚群,譬 如一些细胞对?型钙调蛋白依赖型蛋白激酶具有免 疫活性,而另一些细胞的感受野缺乏蓝一黄拮抗属 性,然而,多数学者认同K细胞参与了蓝一黄拮抗 信号的传递?. (二)视网膜神经节细胞与LGN间的三条通路 视网膜神经节细胞和LGN细胞之间的相互对 应建立了两者之间视觉信息传递的三条通路n. (1)P通路:红一绿拮抗信号经侏儒型双极细胞与P 神经节细胞相联系,投射到LGN背侧的P细胞层; (2)K通路:蓝黄拮抗信号经蓝锥双极细胞与非 M.非P神经节细胞相联系.投射到LGN的K细胞 层;(3)M通路:L/M锥的协同信号经弥散型双极 细胞与M神经节细胞相联系并投射到LGN腹侧的 M细胞层.该通路不直接参与色觉信号的传递,而 产生高亮度的对比信号. 三,色觉在大脑初级视皮层的传递通路 (一)LGN向V1区的投射 大脑皮层中的Vl区(又称纹状皮层或l7区) 作为LGN投射的主要突触目标,位于枕叶后部,矩 状沟周围.用Niss~染色法可将V1区大致分为6 层细胞.1978年,加利福尼亚大学旧金山分校的 Wong—Riley首先用一种组织化学的方法来显示V1 区的细胞色素氧化酶(cytochromeoxidase),发现其 在2,3层细胞的横切面上呈柱状分布,进一步的研 究将这些富含细胞色素氧化酶的深色区域命名为斑 块(Blob)区?.斑块区的发现对大脑皮层色觉通 路的研究具有重要意义.因为从多种实验方法所记 录到的结果明H,颜色敏感细胞在皮层内形成柱 状分布,而这些颜色柱的解剖基础正是被细胞色素 氧化酶所染色的斑块系统.相邻斑块区之问的浅色 区域称为斑块间区.Vl区的斑块区与斑块间区的 细胞相比,对波长更具有选择性,拥有更高的对比敏 感性,很少甚至没有方位选择性.斑块间区细胞对 刺激方位有选择性,虽然不具备明显的颜色选择性, 但它仍可能接受颜色编码的LGN小细胞层神经元 的输入?.就功能而言,LGN向Vl区的投射依然 延续了在视网膜阶段信息处理的3条相对独立的通 路:(1)大细胞通路(M通路):LGN的大细胞 层一V1的4Ca~-4B层;(2)小细胞一斑块间通路(P 通路):LGN的小细胞层一V1的4C~-,-2/3层的斑 块或斑块间区;(3)斑块通路(K通路):LGN的K 细胞层一Vl的2/3层斑块区. 但是,这种经典的投射模式随着新的研究成果 的不断涌现,逐渐受到挑战.例如,Chatterjee和 Callaway?在研究恒河猴V1区颜色拮抗信号的传 递中发现,P通路亦可能分流到4A层与K通路共 同参与蓝一OFF信号的输入.而蓝一ON和蓝一OFF信 号的传入,并不像预期的那样经K通路直接到达 2/3层的斑块区,准确地说,这种信号在到达3B层和 4A层时就发生水平分离.再如Ts'o等一个值得 注意的发现是,一些斑块以包含红/绿细胞为主,而 另一些斑块区则包含蓝/黄细胞.这种分离的现象 很难用所有斑块区神经元细胞接受K通路(蓝/黄) 直接输入以及P通路(红/绿)间接输入的这种投射 模型来解释. (二)V1区内的投射环路 M,P,K通路投射到Vl区的不同层面,使人们 猜测信息在V1区仍然保持独立传输.可以想象在 V1区中,存在着M,P,K三个分离的平行通路直达 V2区.而实际研究表明,P细胞输入到4C13层主要 与谷氨酸能的棘状星形细胞形成突触,然后再依次 投射到2,3层.另一方面,这些星形细胞在4C[3 层,4Ca层以及4B和4A层之间形成广泛的突触联 系,也就是说通过这种不同层面之间的相互联系,M (4Ca)和P(4C13)通路间可能存在着信息流的混 合.而在Vl区的2/3层细胞除了接受K细胞的 直接输入,还包括了M,P细胞从4C层的跨突触输 入.通过各层间突触的相互联系,三条通路间发生 交互作用.从4B层星形细胞的微电极看,4B 层的星形细胞仅被M细胞的输入所驱动,而4B层 的锥形细胞接受从4Ca和4Ct?层的混合输入,且从 4Ca层获得的兴奋输入是4C13层的2倍,从而进 一 步证实了从vl区的4B层到V2区,M和P通路 国际眼科纵览2006年12月篷鲞釜塑!垦!婴ol,!堕里!:ol!: 信号之间的相互叠加.但迄今为止,仍无法确定单 个细胞在多种通路间的混合程度. (三)V1和V2区间的投射联系 同样用细胞色素氧化酶进行染色,可将V2区 皮层划分为富含细胞色素氧化酶的窄带,宽带以及 其间不含细胞色素氧化酶的亮带.V2区的颜色敏 感细胞与V1区的颜色敏感细胞有所不同,其感受 野更大,属于复杂细胞而不是简单细胞,也即其在反 应空间上做了延伸.V2区窄带,亮带和宽带内的细 胞分别对应颜色敏感细胞,方位选择细胞和视差敏 感细胞H'-.Xiao等用基于内源性的光学成 像技术研究发现,当给予不同色光刺激时,恒河猴 V2区的窄带内形成对不同波长光反应敏感的条带, 且依次按红,黄,绿,浅绿,蓝,紫等刺激光的顺序排 列.这一有意义的发现意味着在V2区的窄带内存 在与不同色光刺激一一对应的兴奋部位. 以往研究认为,V1和V2区之间存在至少三条 确定的相对分离的信息流?is]:(1)运动和立体觉 由M大细胞通路经V1区4B层流向V2区的宽带, 最后投射到V3和V5(MT)区.(2)形觉由P小细 胞通路经V1区的斑块间区流向V2区的亮带,然后 投射到V4区.(3)色觉信号由K,P细胞的混合通 路经斑块区流向V2的窄带,最后再投射到V4区. 虽然这三条信息流可以区别开来,并得到某些心理 物理学实验的支持,但它们之间并不完全分离,相互 之间还存在着投射关系.不过,新的证据提示对V1 到V2区间连接的描述是不准确的.Sincieh和 HortonL2的研究认为,V1至V2间的投射方式应当 分成两部分而不是三部分,即:斑块区和窄带相连, 而斑块间区既和亮带又和宽带相连,且投射的轴突 终末在亮带更为密集. (四)V2区内的投射环路 V2区内水平投射范围大约是8mm,两倍于V1 区中的水平投射.第4层的神经元主要投射到 3A层和3B层.3B层的神经元主要接受丘脑结节 的输入,并投射到第2层和3A层.与V1区相似, 第5层和2/3层神经元间形成循环的投射回路.第 6层的神经元表现出与V1区中的不同,因为它们在 V2区内主要投射到第3层而不是第4层.用逆 行示踪物注射的方法显示,V2区内的条带总是向外 侧投射到不同类型的其它条带f.有意义的是, 富含细胞色素氧化酶的深色条带更倾向于向其他深 色条带投射,使得窄带和宽带之间发生交叉对 话. (五)V4区及其他皮层区 通常V4区被认为是皮层系统中主要的色觉处 理"中心".猴v4区内细胞的色敏感比例很高,其 感受野比V1和V2区细胞更大,对光波的选择性更 高.这些色敏感细胞亦是按相似的最优波长集聚成 颜色柱的引.V4区的某些细胞呈现颜色恒常性 (即对物体颜色的知觉保持不变的现象),这一现象 与破坏猴的v4区后,并不影响其对简单波长分析 的实验结果相一致.但最新的假设认为,V4区 并不是唯一进行色觉信息处理的中心.相反,位于 V4区的前腹侧的神经元细胞则表现出更多的颜色 敏感性. 在VP(V3v)和V4v区,存在不连续的颜色柱, 这些区域的颜色柱宽而稀疏,与V2区类似,但排列 不如V2区规律.VP区的颜色柱比V4v区具有更 高的对比度和数量.而在V4d中有关细胞颜色 敏感性的报道很不一致.一部分研究发现V4d受 损,并未造成基本颜色知觉的丢失,而Tootell 等报道在V4d中发现较大的颜色柱,但由于数量 非常少,还需更大的样本量加以证实. 四,结语 目前人们对V4区及更高视皮层区色觉信号的 传递和处理还知之甚少.但可以肯定的是,色觉信 息随着向大脑皮层逐级传递的不断深入而愈加抽象 复杂.在整个色觉传递的通路中,还存在大量悬而 未决和颇具争议的问题.而新技术的出现如双光子 共焦钙流成像技术(2一photonconfocalimagingofca1 ciumfluxes)为今后这一领域的深入研究注入了活 力.然而,迄今所有关于人类色觉系统的认识还 主要建立在对其他灵长类动物的研究上.而经过长 达3000万年的进化,两种物种视皮层处理色觉信息 上必然存在着差异,只有弄清这些差异,才能更客观 地了解人类复杂的色觉系统. 参考文献 1StockmanA.SharpeLT.espectralsensitivitiesofthemiddle— andlongwavelength-sensitiveconesderivedfrommeasurementsin observersofknowngenotypeVisionRes,2000,40:1711-1737, 2Abramov1,GordonJ.Colorappearance:onseeingred—oryellow, orgreen,orblue+AnnuRevPsyehol,1994,45:451—485. 3CalkinsDJ,SeheinSJ,TsukamotoY,eta1.MandLconesin macaquefoveaconnecttomidgetganglioncellsbydifferentnumbers ofexcitatorysynapses.Nature,199,1,371:70—72. 旦型丛堕生里旦篁堂釜塑!ntevol,December2006,Vo130,No.6 4DaceyDM.Themosaicofmidgetganglioncellsinthehumanreti na.JNeuro~i,1993,13:53345355. 5MartinPR,LeeBB,WhiteAJ,eta1.Chromaticsensitivityofgan glioncellsintheperipheralprimateretina.Nature,2001,410:933 936. 6MullenKT,KingdomFALossesinperipheralcoloursensitivity predictedfrom"hitandmiss"postreceptoralconeconnections. 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