灵长类视网膜中侏儒节细胞感受野构建的计算模型研究

学术背景

灵长类视网膜中的侏儒通路（midget pathway）是视觉系统中高空间分辨率和颜色感知的基础。这一通路的关键特征之一是感受野的中心-周围组织（center-surround organization），即感受野中心区域的反应被周围区域的反应所拮抗。尽管这一现象已被广泛研究，但仍有两个关键问题未得到解决：首先，周围区域的反应主要或完全由水平细胞（horizontal cells）对光感受器（cones）的负反馈引起，这与流行的“高斯差分模型”（difference of gaussians, DOG）所暗示的前馈抑制（feedforward inhibition）机制相矛盾；其次，感受野中心和周围区域的空间范围是否可以通过其组成部分（如光学、水平细胞感受野、节细胞树突）来预测？

为了解决这些问题，来自悉尼大学Save Sight Institute的Manula A. Somaratna和Alan W. Freeman开展了一项计算模型研究，模拟了猕猴视网膜中侏儒通路的信号处理过程。该研究旨在通过定量分析已知的侏儒节细胞反应特性与视网膜电路的解剖和生理特性之间的关系，揭示感受野构建的机制。

论文来源

该研究由Manula A. Somaratna和Alan W. Freeman共同完成，他们来自澳大利亚悉尼大学的Save Sight Institute。论文于2024年12月12日首次发表在《Journal of Neurophysiology》上，DOI为10.1152/jn.00302.2024。

研究流程

1. 模型构建

研究团队构建了一个计算模型，模拟了从光感受器到侏儒节细胞的信号处理过程。模型包括以下几个关键阶段： - 光学和光转换：模拟光线通过眼睛的光学系统并在光感受器中转换为电信号的过程。 - 光感受器（cones）：模拟光感受器对光信号的反应。 - 水平细胞（horizontal cells）：模拟水平细胞对光感受器的负反馈作用。 - 双极细胞（bipolar cells）：模拟光感受器信号通过双极细胞传递到节细胞的过程。 - 节细胞（ganglion cells）：模拟节细胞对双极细胞信号的反应。

模型中的信号流动通过高斯函数（Gaussian functions）表示，这些函数描述了信号在细胞之间的空间扩散。研究团队还引入了“高斯比值模型”（ratio of gaussians, ROG），以替代传统的DOG模型，更好地描述中心-周围组织的反馈机制。

2. 参数设置

模型的所有参数均基于已发表的解剖和生理数据。例如： - 视网膜放大因子：设置为4.7度/毫米，基于Perry和Cowey的研究。 - 光感受器密度：基于Croner和Kaplan的研究，光感受器的密度随偏心度（eccentricity）变化。 - 节细胞树突半径：基于Wässle等人的研究，节细胞树突的半径随偏心度增加而增大。

3. 模型验证

研究团队通过模拟漂移正弦光栅（drifting sinusoidal gratings）和短暂光脉冲（brief light pulses）等刺激，验证了模型的准确性。他们还比较了ROG模型和DOG模型在解释时空相互作用（spatiotemporal interactions）和脉冲响应（pulse responses）方面的表现。

主要结果

1. 中心-周围组织的反馈机制

研究发现，水平细胞对光感受器的负反馈导致周围区域的反应是“除法性”（divisive）而非“减法性”（subtractive）。这一发现与传统的DOG模型不同，DOG模型假设中心与周围区域的信号在减法之前没有相互作用。

2. 高斯比值模型（ROG）的优势

ROG模型不仅能够解释时空相互作用，还能更好地拟合脉冲响应。与DOG模型相比，ROG模型具有以下优势： - 反馈机制的体现：ROG模型明确包含了水平细胞的反馈机制，而DOG模型则忽略了这一点。 - 时空相互作用的解释：ROG模型能够直接解释时空频率响应，而DOG模型需要为每个时间频率单独拟合参数。 - 脉冲响应的拟合：ROG模型能够拟合短暂光脉冲引起的节细胞反应，而DOG模型无法处理时间或时间频率相关的数据。

3. 感受野半径的计算

研究团队发现，感受野中心和周围区域的半径可以通过其组成部分的半径平方和来计算。例如，中心半径（rcen）可以通过光学点扩散函数半径（ropt）和节细胞树突半径（rgang）的平方和开方得到： [ r{cen}^2 = r{opt}^2 + r_{gang}^2 ] 这一发现为感受野的空间特性提供了新的解释。

4. 颜色拮抗作用

模型还预测了中心与周围区域之间的颜色拮抗作用（chromatic antagonism），并揭示了这种拮抗作用随偏心度的变化。研究发现，靠近中央凹（fovea）的节细胞中心机制通常由单一类型的光感受器驱动，而周围机制则由多种类型的光感受器驱动。

结论与意义

该研究通过计算模型揭示了灵长类视网膜中侏儒节细胞感受野构建的机制，特别是中心-周围组织的反馈机制。研究的主要贡献包括： - 反馈机制的定量描述：首次通过计算模型定量描述了水平细胞对光感受器的负反馈作用。 - ROG模型的提出：提出了ROG模型，为解释时空相互作用和脉冲响应提供了新的工具。 - 感受野半径的计算方法：提供了一种通过组成部分半径平方和计算感受野半径的方法。 - 颜色拮抗作用的预测：模型成功预测了颜色拮抗作用随偏心度的变化，为颜色视觉的研究提供了新的视角。

研究亮点

1. 反馈机制的揭示：研究首次通过计算模型揭示了水平细胞对光感受器的负反馈机制，解决了DOG模型无法解释反馈作用的问题。
2. ROG模型的优势：ROG模型在解释时空相互作用和脉冲响应方面表现出色，为视网膜信号处理的研究提供了新的工具。
3. 感受野半径的计算：研究提出了一种通过组成部分半径平方和计算感受野半径的方法，为感受野空间特性的研究提供了新的思路。
4. 颜色拮抗作用的预测：模型成功预测了颜色拮抗作用随偏心度的变化，为颜色视觉的研究提供了新的视角。

其他有价值的信息

研究团队还指出，未来的研究可以进一步探索水平细胞与其他视网膜细胞之间的相互作用，以及这些相互作用如何影响视觉信号的处理。此外，ROG模型的应用也可以扩展到其他类型的视网膜节细胞，甚至其他感觉系统的研究中。

这项研究不仅为理解灵长类视网膜中侏儒节细胞感受野的构建提供了新的视角，还为视觉信号处理的计算模型研究开辟了新的方向。