智利刷尾鼠（Octodon degus）作为研究上丘神经元视觉感受野特性的新模型
智利刷尾鼠（Octodon degus）作为研究视觉系统的新模型
学术背景
视觉系统的研究一直是神经科学领域的重要课题。传统上，科学家们通常使用夜行性或黄昏活动的啮齿动物（如仓鼠、大鼠和小鼠）作为模型来研究视觉系统的发育和功能。然而，这些动物的视觉系统相对简单，且与人类等昼行性哺乳动物的视觉系统存在显著差异。为了拓宽研究范围，科学家们开始寻找更接近人类视觉系统的动物模型。智利刷尾鼠（Octodon degus）作为一种昼行性、早熟性啮齿动物，具有丰富的视锥细胞和高度发达的视网膜结构，因此被认为是一个潜在的研究模型。
本研究的主要目标是评估智利刷尾鼠的视觉生理特性，特别是其上丘（superior colliculus, SC）神经元的视觉反应和感受野（receptive field, RF）特性。通过比较智利刷尾鼠与其他实验室常用啮齿动物的视觉特性，研究人员希望揭示其视觉系统的独特性，并探讨其在视觉系统发育研究中的应用潜力。
论文来源
这篇论文由Natalia I. Márquez、Alfonso Deichler、Pedro Fernández-Aburto、Ignacio Perales、Juan-Carlos Letelier、Gonzalo J. Marín、Jorge Mpodozis和Sarah L. Pallas共同撰写。研究团队来自智利大学（Universidad de Chile）、Finis Terrae大学（Universidad Finis Terrae）以及美国马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts-Amherst）。论文于2024年12月20日首次发表在《Journal of Neurophysiology》上。
研究流程
1. 动物准备与实验设计
研究使用了13只智利刷尾鼠，这些动物被饲养在实验室条件下，遵循严格的动物福利标准。实验分为两个主要部分：神经解剖学数据收集和电生理记录。
神经解剖学数据收集
研究人员通过眼内注射神经示踪剂（如霍乱毒素B亚单位，CTB）来标记视网膜投射。注射后，动物经过5-7天的存活期，随后进行心脏灌注和脑组织切片。通过免疫组织化学方法，研究人员观察了视网膜投射的分布情况，并使用立体学方法测量了视网膜终末的体积。
电生理记录
在电生理实验中，研究人员对9只智利刷尾鼠进行了上丘神经元的记录。动物在麻醉状态下进行手术，暴露上丘表面后，使用钨微电极或多电极阵列记录神经元的电活动。视觉刺激通过LCD显示器呈现，包括移动的白色方块、正弦光栅、扩张的黑色圆盘（模拟逼近物体）和静止的黑色圆盘。
2. 数据处理与分析
记录到的神经信号经过带通滤波和自适应滤波算法处理，以去除背景噪声。通过离散小波变换和k-means聚类算法对单个神经元进行分离和分类。研究人员使用高斯函数拟合神经元的感受野，并计算其大小和形状。此外，还分析了神经元对空间频率和对比度的响应特性。
主要结果
1. 上丘的视网膜输入与细胞结构
研究发现，智利刷尾鼠的上丘具有高度分层的结构，所有层次都清晰可辨。视网膜投射主要来自对侧眼，密集分布于上丘的表层（stratum griseum superficiale, SGS）和带状层（stratum zonale, SZ），而在深层（stratum griseum intermediale, SGI和stratum griseum profundus, SGP）则几乎没有视网膜输入。
2. 感受野特性
研究人员发现，智利刷尾鼠上丘神经元的感受野大小随着深度的增加而增大。表层神经元的感受野较小，而深层神经元的感受野较大。此外，感受野的形状也随着深度的增加而发生变化，从表层的圆形逐渐变为深层的椭圆形。
3. 空间频率调谐
大多数上丘神经元对低/中空间频率（0.04和0.08 cycles/degree, cpd）有偏好，但也有部分神经元对高空间频率（0.24 cpd）有调谐。这表明智利刷尾鼠具有较高的视觉敏锐度。
4. 对比度响应
研究发现，约一半的上丘神经元对对比度表现出线性或接近线性的响应，而另一半则表现出饱和响应。这与夜行性啮齿动物的非线性响应形成鲜明对比，反映了智利刷尾鼠昼行性视觉系统的特性。
5. 对逼近物体的响应
上丘神经元对逼近物体表现出持续增加的放电率，而对静止物体则表现出典型的开-关响应。这表明上丘具有识别快速逼近物体的神经机制，可能与逃避行为有关。
结论与意义
本研究首次详细描述了智利刷尾鼠上丘神经元的视觉反应特性，揭示了其视觉系统的高敏锐度和昼行性特征。研究结果表明，智利刷尾鼠作为一种昼行性、早熟性啮齿动物，具有较高的视觉敏锐度和复杂的视觉处理能力，因此是一个研究视觉系统发育和功能的理想模型。
研究亮点
- 新模型引入：智利刷尾鼠作为一种昼行性啮齿动物，填补了夜行性啮齿动物与人类视觉系统之间的研究空白。
- 高视觉敏锐度：研究发现智利刷尾鼠具有较高的视觉敏锐度，特别是在高空间频率调谐方面。
- 线性对比度响应：与夜行性啮齿动物不同，智利刷尾鼠的上丘神经元表现出线性或接近线性的对比度响应，反映了其昼行性视觉系统的特性。