（生物物理学专业论文）非视觉光感受系统协同作用模型的建立.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并己通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：韭主 2 0 1 0 年5 月2 8 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目非视觉光感受系统协同作用模型的建立 姓名张宇学号 2 1 2 0 0 7 0 1 2 7 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 4 日 论文类别博士口学历硕士囹硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所物理科学学院 专业生物物理学 联系电话 1 3 5 1 2 0 4 1 7 3 3e m a i l z h y s m a r t m a i l n a i l k a i e d u c a 通信地址( 邮编) ： 天津市河西区解放南路美好里2 5 5 0 4 ( 3 0 0 2 1 0 ) 备注：无 是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 根据南开人学关丁研究生学位论文收藏和利h j 管理办法，我校的博十、硕十学伊获 得者均须向南开人学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开人学有关研究生学位论文收藏和利川的管理规定。南开人学拥有往 并作权法规定范闱内的学位论文使川权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采川影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开人学博硕+ 学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校町以将公开 的学位论文作为资料在幽l5 馆等场所提供校内师生阅读，住校同网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务：( 3 ) 根据教育部有关规定，南开人学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范闱的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 1 卜公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开人学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩： 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如冈不同造成不良后果由本人白负。 本人同意遵守上述规定。本授权j is 签署一式两份，由研究生院和图i ；馆留存。 作者暨授权人签字：坠生 2 0f o 年6 月f 门 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 非翘毙犯惑铭凌j 协同作用摸是的建丑 姓名 哥l 骂li 学号l 列2 口0 19l 妇i 答辩日期i p _ of o 年鲋净1 论文类别博十口。学历硕十日硕十号业学位口高校教师口同等学力硕 ：口 院系所 斗尊蟮祷bi 专业 暇系l 乜活 5 f l z o 柏弋3 3e m a i l | z k 牺m 及恻川o 【i n 反川b - e o k c i i ! l 信地j 1 p ( 邮编) ：棠窜甫河西磷鼢灸甬旌桎印軎贿姜野靶酶如午宣( ；口。叫d 备注： 一 i 足否批准为1 卜公开论艾l孤 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：丞主2 0 1 0 年5 月2 8 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级口限制( 2 年) 口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0 年月 日至2 0 年 月日 审批表编号批准日期 2 0年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 人们对于视网膜的主要神经细胞及视觉光感受功能已经有了比较深入的了 解。传统的视网膜光感受细胞包括：视杆细胞和视锥细胞。然而，由于一种位 于视网膜神经节细胞上新的视蛋白黑视蛋白的发现，让人们开始重新审视 视网膜及其所具有的功能，非视觉光感受系统的研究也随之应运而生。 非视觉光感受系统能通过感受环境光，诱导一系列生理和行为反应，称为 非图像形成反应，包括：光调整人的生物节律与周围环境同步，调节瞳孔的收 缩，控制松果体分泌褪黑激素，等等。但目前对于非视觉光感受系统的生理机 制以及内在光敏视网膜神经节细胞、视杆细胞、视锥细胞之间的协同作用研究 还并不是很清楚。 本论文根据国内外对视网膜非视觉和视觉系统的生物学相关研究进展，进 行汇总与分析，建立了非视觉光感受系统协同作用的生理模型，并在此基础上 构建了此系统的数学模型。该模型的建立为定量计算与分析光照对人体生理功 能的影响，如对褪黑激素分泌的抑制，奠定了理论基础。该研究结果也为室内 安全光照环境的设计提供了理论依据和计算方法，并可在光污染的控制、夜间 安全环境照明标准的制定等方面得到应用。 关键词：非视觉光感受系统内在光敏视网膜神经节细胞黑视蛋白 视杆细胞视锥细胞 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep e o p l eh a v ea l r e a d yg o tad e e p e ru n d e r s t a n d i n go nt h em a j o rn e r v ec e l l so f t h er e t i n aa n dt h ef u n c t i o no ft h ev i s u a lp h o t o - s e n s i t i v es y s t e m t h et r a d i t i o n a lr e t i n a l p h o t o r e c e p t o rc o n s i s t so fr o d sa n dc o n e s h o w e v e r , t h a n k st ot h ed i s c o v e r yo fak i n d o fn e wo p s i n - 一m e l a n o p s i nl o c a t e da tt h er e t i n a lg a n g l i o nc e l l s ，t h ep e o p l es t a r tt o r e e x a m i n et h ef u n c t i o no ft h er e t i n aa n da tt h es a m em o m e n tt h er e s e a r c ho nt h e n o n - v i s u a lp h o t o s e n s i t i v es y s t e mc o m e si n t ob e i n g t h en o n - v i s u a l p h o t o - s e n s i t i v es y s t e m i s c a p a b l e o fi n d u c i n gas e r i e so f p h y s i o l o g i c a la n db e h a v i o r a lr e s p o n s e st h r o u g ht h ef e e l i n go fa m b i e n tl i g h t ，r e f e r r e d t o 嬲n o n - i m a g e f o r m i n gr e s p o n s e s ，i n c l u d i n g ：a d j u s t i n gt h es y n c h r o n i z a t i o no f h u m a nb i o l o g i c a lr h y t h ma g a i n s tt h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t a lt h r o u g hl i g h t ， r e g u l a t i n gt h ec o n t r a c t i o no ft h ep u p i l ，c o n t r o l l i n gs e c r e t i n gm e l a t o n i no ft h ep i n e a l g l a n d ，e t c w h i l et i l l n o wt h e s t u d y o nt h e p h y s i o l o g i c a l m e c h a n i s m so ft h e n o n v i s u a lp h o t o s e n s i t i v es y s t e ma n dt h es y n e r g i s t i ca c t i o no ft h ei p r g c s ，r o d sa n d c o n e si ss t i l ln o ty e tv e r yc l e a r i nt h el i g h to ft h er e l a t i v eb i o l o g yr e s e a r c hf o rr e t i n a ln o n - v i s u a ls y s t e m 嬲w e l l a si t sv i s u a ls y s t e ma l r e a d ye x i s t e db o t ha th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e rh a sm a d ea s u m m a r ya n da n a l y s i sa n de s t a b l i s h e dap h y s i o l o g i c a lm o d e lo ft h es y n e r g i s t i ca c t i o n f o rn o n - v i s u a lp h o t o s e n s i t i v es y s t e m a n db a s e do nw h i c h , am a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es y s t e mh a sb e e nb u i l t t h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e lh a sl a i dat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h eq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o na n dt h ea n a l y s i so fl i g h to nh u m a n p h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n s ，s u c h 嬲t h ei n h i b i t i o no fm e l a t o n i ns e c r e t i o n n l er e s u l to f t h e s t u d yh a s a l s op r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o df o rt h e d e s i g n i n go fi n - d o o rs a f el i g h t i n gc o n d i t i o n ，a n di tc a na p p l yt ot h ec o n t r o lo fl i g h t p o l l u t i o na n dt h ef o r m u l a t i o no fi l l u m i n a t i o ns t a n d a r df o rn i g h ts e c u r i t ye n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：n o n - v i s u a lp h o t o s e n s i t i v es y s t e mi p r g c sm e l a n o p s i n r o d sc o n e s 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言l 第一节视网膜与视觉网络通路简介一1 第二节非视觉光感受系统的发现及其研究进展。3 第三节光照与生物节律。5 第四节本论文的研究目的及意义6 第二章非视觉光感受系统神经通路模型7 第一节视杆细胞神经通路模型7 2 1 1 视杆细胞7 2 1 2 杆双极细胞1 0 2 1 3 无长突细胞( a i i ) 1 1 2 1 4 视杆细胞神经生理通路1 3 第二节视锥细胞神经通路模型1 4 2 2 1 视锥细胞1 4 2 2 2 锥双极细胞16 2 2 3 无长突细胞( a 1 8 ) 1 6 2 2 4 视锥细胞神经生理通路1 7 第三节i p r g c s 神经通路模型18 2 3 1 黑视蛋白m e l a n o p s i n 。18 2 3 2 内在光敏视网膜神经节细胞i p r g c s 1 9 2 3 3i p r g c s 神经生理通路2 3 目录 第三章非视觉光感受系统协同作用模型2 4 第一节协同作用生理模型2 4 3 1 1 生理模型2 4 3 1 2 分析与讨论2 5 第二节协同作用数学模型2 6 3 2 1 数学模型2 6 3 2 2 分析与讨论3 0 参考文献3 7 致谢4 2 个人简历4 3 第一章引言 第一章引言 第一节视网膜与视觉网络通路简介 视网膜位于眼球壁的内侧面，是一层透明的薄膜，外侧紧贴脉络膜，内侧 紧靠玻璃体( 图1 1 ) 。光线可以依次通过眼睛的角膜、瞳孔、晶状体、玻璃体， 到达视网膜【闳。 c i l i a r y 的田 图1 1 眼球结构及视网膜图示 视网膜的厚度不到0 5 r a m 。成人的视网膜构成一个球面的7 2 ，这个球面 的直径约为2 2 m m 。视网膜的中心是视神经盘，这个位置也被称为生理盲点，这 里没有视觉光感受细胞，是视神经纤维汇集穿出眼球的部位。从盲点向太阳穴 的方向有一块儿黄斑区，其中心被称为视网膜中央凹，这里是视网膜感光最灵 敏的地方，也是我们视觉最清晰的地方( 图1 2 ) 。每当人注视某个物体的时候， 眼球常会不自觉地转动，让光线尽量聚焦在视网膜中央凹上【l 刮。 视网膜可以大致地划分为五层细胞：光感受细胞、水平细胞、双极细胞、 无长突细胞、神经节细胞( 图1 3 ) 。光感受细胞处于入射光线的远端，入射光 线的方向与视网膜内各个神经元的信息处理流向正好相反【4 刮。 第一章引言 入射光线 图1 2 视网膜盲点与中央凹 输出 图1 - 3 视网膜分层结构及其输入、输出信号流向示意图 视网膜是一个多层次的复杂网络系统，其突触联系主要分布在两个层：内 网状层( i p l ) 、外网状层( o p l ) 。在外网状层中，视杆、视锥细胞与多种类型 的双极细胞、水平细胞建立化学突触。另外，光感受细胞之间和水平细胞之间 2 第一章引言 各自也存在着电学突触的连接。水平细胞接收光感受细胞的输入，而又以负反 馈的形式与光感受细胞建立抑制性化学突触。在内网状层中，双极细胞分别与 无长突细胞、神经节细胞建立化学突触，是外网状层和内网状层之间的神经桥 梁。无长突细胞与双极细胞存在着负反馈的抑制性化学突触联系的同时，又与 神经节细胞有着化学突触联系。神经节细胞是视网膜信息处理的最后一级细胞， 可以将视觉信息以动作电位串的方式传输。神经节细胞的轴突在视神经盘处汇 聚并离开视网膜形成视神经，经过视交叉部分地交换神经纤维，然后形成视束， 投射到中枢的若干部位，包括：外侧膝状体、上丘、顶盖前区、下丘、视皮层 箜 4 - 6 1 口o 第二节非视觉光感受系统的发现及其研究进展 在过去1 5 0 多年中的大部分时间里，人们都普遍认为哺乳动物的视网膜中 只包含两种类型的光感受细胞，即视杆细胞和视锥细胞。1 9 2 3 年，哈佛大学的 研究生c l y d ek e e l e r 对老鼠做了一系列有趣的实验。实验中，外视网膜严重变性 的老鼠，尽管它们缺乏了绝大多数的视杆、视锥细胞，功能上已经基本失明， 但是这些老鼠对光仍然能够产生一些视反射，例如瞳孔的收缩反应。从实验结 果，c l y d ek e e l e r 推断视网膜中可能存在除视杆、视锥细胞以外其它的光感受细 胞【_ 7 ，踟。后来，f o s t e r 等人用基因改造过的没有视杆、视锥细胞的老鼠做实验， 发现这些失明的老鼠仍然保留有根据外界光暗周期变化调节日常生物节律的能 力，并且光脉冲能够抑制老鼠松果体的活性 9 , 1 0 】。如果将这类老鼠的整个眼睛移 除，所有现象随之消失【l l 】。这些发现有力地支持了c l y d ek e e l e r 许多年之前的推 断。1 9 9 8 年，p r o v e n c i o 等人研究非洲爪蟾的皮肤黑色素细胞时，克隆出一种新 的对光有直接反应的蛋白质分子，命名为m e l a n o p s i n ，中文称为黑视蛋白。他们 发现这种蛋白质的直系同源体在人类和老鼠的视网膜神经节细胞也有选择性地 表达【1 2 , 1 3 】。此外，还有研究发现，这种表达m e l a n o p s i n 的视网膜神经节细胞的 轴突与哺乳动物下丘脑控制生物钟节律的位点s c n 直接联系【l 训。这些研究结果 证实了，这类特殊的视网膜神经节细胞就是c l y d ek e e l e r 早在1 9 2 3 年预测的视 网膜中的第三种光感受细胞类型。2 0 0 2 年，d a v i db e r s o n 等人用s c n 逆行注射 追踪和膜片钳技术，直接探测并记录了m e l a n o p s i n 神经节细胞对光的响应i l 引。 同年， i p r g c s 光：去极 视锥( 中、长) 日 锥( o 双f f 极) 二二二 a 1 8 谷氨酸 光：超极化光：减少或停止 图2 1 0 视锥细胞通路 光：释放 强光环境下，s 视锥细胞超极化，谷氨酸释放减少或停止，使o n 锥双极细 胞去极化并持续释放谷氨酸，通路对i p r g c 起促进作用。黑暗条件下，s 视锥 细胞处于去极化状态，谷氨酸持续释放，造成o n 锥双极细胞超极化，并使其谷 氨酸释放下降，这样通路对于i p r g c s 的促进作用也随之减少或停止。 强光环境下，m 与l 视锥细胞超极化，谷氨酸释放减少或停止，使o f f 锥 双极细胞去极化，使其谷氨酸释放减少或停止，进而使a 18 型无长突细胞去极 化。a 1 8 型无长突细胞去极化后会通过释放多巴胺，对视杆通路对i p r g c s 的抑 制作用产生一个“去耦合 的效应。黑暗条件下，m 与l 视锥细胞处于去极化 状态，谷氨酸持续释放，使o f f 锥双极细胞去极化，导致o f f 锥双极细胞谷氨 酸持续释放，这样无法使a 1 8 型无长突细胞去极化，也就不会影响视杆细胞通 1 7 锚 拼 路口釉 第二章非视觉光感受系统神经通路模型 路对于i p r g c s 的作用。 第三节i p r g c s 神经通路模型 2 3 1 黑视蛋白m e l a n o p s i n i p r g c s 细胞有感光能力完全是由于它表达有黑视蛋白m e l a n o p s i n 。 m e l a n o p s i n 最先从爪蟾的皮肤黑色素细胞中克隆出来之后，陆续发现在许多种哺 乳动物中都有m e l a n o p s i n ( o p n 4 ) 的直系同源基因，包括老鼠、猴子、人类等。 爪蟾的m e l a n o p s i n 由5 3 4 个氨基酸组成，分子量为5 0 k d 。经疏水性分析， m e l a n o p s i n 与视杆、视锥细胞的视蛋白一样，具有g 蛋白偶联受体的基本结构， 包括七个跨膜结构域，一个胞外氨基末端和一个胞内羧基末端( 图2 1 1 ) 。位于 第七个跨膜结构域的第2 9 4 位氨基酸为赖氨酸，m e l a n o p s i n 借此与生色团的席夫 碱结合。第二个胞外环第1 0 0 位和第三胞外环第1 7 8 位的半胱氨酸形成二硫键， 来稳定蛋白质的三维空间结构。胞内长的羧基末端有1 4 个磷酸化位点。 m e l a n o p s i n 缺乏存在于大多数视蛋白胞外末端的n 糖基化位点。人的m e l a n o p s i n 基因位于染色体1 0 q 2 2 ，含有l o 个外显子和9 个内含子。外显子的长度为1 1 8 k b ， 有1 4 k b 的开放阅读框。内含子的位置明显不同于视杆和视锥细胞的视蛋白，都 有侧翼区。小鼠的m e l a n o p s i n 基因有1 6 k b 的开放阅读框。小鼠与人m e l a n o p s i n 的跨膜域和环形域之间有约8 6 的同源性，与非洲蟾蜍的同源性约为5 7 1 2 ，1 3 , 3 6 ，5 5 5 7 。 弓罾西0 釜釜釜盐q00100 誓 图2 1 1m e l a n o p s i n 结构图 1 8 q“八霄w鞋八i 第二章非视觉光感受系统神经通路模型 尽管m e l a n o p s i n 存在于脊椎动物，但是它却与非脊椎动物的视蛋白具有更 高的同源性，说明m e l a n o p s i n 很可能是通过一种不同于脊椎动物传统视杆、视 锥光感受细胞的机制介导光信号【5 8 蜘】。 m e l a n o p s i n 是视网膜神经节细胞层存在的唯一视蛋白，通过转基因技术敲除 m e l a n o p s i n 基因的老鼠，从s c n 逆行标记的视网膜神经节细胞不再能够感受光 信号。此外，动物缺乏m e l a n o p s i n 基因还表现出许多视反射的退化，比如瞳孔 收缩和光牵引。使用多电极实验能够分离记录老鼠视网膜神经节细胞的光反应， 敲除m e l a n o p s i n 后反应消失【1 锄，3 1 ，6 1 1 。 2 3 2 内在光敏视网膜神经节细胞i p r g c s i p r g c s 的数量大约占所有视网膜神经节细胞的1 到3 ，分布在整个视网 膜。i p r g c s 的树突区域很大，在视网膜内网状层( i p l ) 形成广泛交叠的网状组 织【4 9 1 。i p r g c s 的光谱灵敏度曲线不同于视杆、视锥细胞，响应峰值在4 8 0 n m 左 右( 图2 1 2 ) 1 1 5 】。 枷5e 蝴m l e n g t h ( t i m ) 图2 1 2i p r g c s 的相对光谱灵敏度曲线 i p r g c s 对光反应的阈值高于传统光感受细胞，并且反应的潜伏期和持续时 间长，没有空间分辨力。i p r g c s 的树突和胞体都能够直接感受光，因此，大的 交叠的树突区域可以形成一个大的光感受网。i p r g c s 所有这些特点都完美地支 持了它长时间传递弥散环境光强度的信号，进而控制生理反应的作用【6 2 删。 1 9 协 坛 篆js采s 第二章非视觉光感受系统神经通路模型 i p r g c s 的光响应不同于视杆细胞和视锥细胞，最明显的是，i p r g c s 对光产 生去极化反应，而视杆细胞和视锥细胞是超极化反应。远古祖先的大脑里有两 种感光细胞，分别称为弹状细胞( r h a b d o m e d c ) 和睫状细胞( c i l i a r y ) 。在大多 数动物中，弹状细胞是其眼睛的组成部分，而睫状细胞则保留在大脑里。随着 进化过程，这些睫状细胞最终进化为脊椎动物视网膜上的视杆和视锥细胞，弹 状细胞则最终进化为非脊椎动物的感光细胞，还很可能进化成为脊椎动物视网 膜中的i p r g c s 。弹状细胞和睫状细胞最大的区别是将光信号转化为电信号的生 化级联反应不同。视杆和视锥细胞的级联反应以环鸟苷酸( c g m p ) 为第二信使。 对于光的响应是通过c g m p 的减少，关闭c g m p 门控的非特异性阳离子通道， 导致细胞膜超极化实现的。与之不同的的是，弹状细胞是通过磷脂酶c ( p l c ) 使p i p 2 分解，导致阳离子通道打开，细胞膜去极化。除此之外，尽管它们的光 转导生物级联反应都是g 蛋白调控的，但是睫状细胞和弹状细胞所使用的g 蛋 白是不同的，睫状细胞为g i 蛋白，而弹状细胞为g q 蛋白。m e l a n o p s i n 与非脊 椎动物的视蛋白具有很高的同源性，而且i p r g c s 对于光的去极化反应都说明 i p r g c s 可能使用的是弹状细胞的光转导级联反应( 图2 1 3 ) 【5 8 侧。 m e l k a n o 善p s i 楚n * + = 9 光 光d光 全- 反视黄醛匕 d g 蛋白( g q ) o d d o i p r g c s 去极化 图2 1 3i p r g c s 的感光过程 i p r g c s 不同于视杆细胞和视锥细胞的另一个明显特点是它的双稳态机制。 2 0 第二章非视觉光感受系统神经通路模型 视杆细胞和视椎细胞上的感光色素在光条件下，视黄醛会由顺型( c i s ) 变为全 反型( t r a n s ) ，并与视蛋白分离，然后在暗条件下，全反视黄醛会通过视网膜色 素上皮细胞( 砌 e ) 中异构酶的作用，重新变回顺型视黄醛，完成生色团的再生， 并与视蛋白结合，能够继续接受光照，完成一次循环( 图2 1 4 ) 。视觉系统就是 在这样的不断循环中维持的 6 5 , 6 6 。 图2 1 4 视杆、视锥细胞的生色团再生机制 但是，由于m e l n o p s i n 与非脊椎动物的同源性高于脊椎动物，而非脊椎动物 的光色素是具有双稳态特性的，通过光异构机制完成生色团的再生。再有，从 神经解剖学来讲，i p r g c s 位于内层视网膜，不同于位于内核层的视觉光感受细 胞，与视网膜色素上皮细胞距离较远，不能利用到其异构酶的作用。所以， i p r g c s 上的生色团再生机制很可能与视杆细胞和视锥细胞不同，存在一种类似 于非脊椎动物光色素的，完全依赖光异构作用完成生色团再生的双稳态机制( 图 2 1 5 ) 。这个推断在体内和体外实验均得到了证实【6 5 。m 。 固图 图2 1 5i p r g c s 的生色团再生机制 尽管，i p r g c s 本身能够作为光受体细胞，它们也能接收视网膜内源于视杆 和视锥细胞的突触输入信号。它们的树突终止于内网状层，内网状层是双极细 2 1 第二章非视觉光感受系统神经通路模型 胞和无长突细胞通过突触连接传送视杆和视锥细胞的信号到神经节细胞的地 方。使用电子显微镜，b e l e n k y 等指出了无长突细胞与o n 双极细胞在内网状层 与i p r g c s 的突触连接。另外，对老鼠和灵长类动物的研究，它们的i p r g c s 除 了内在光敏特性外，也受视杆和视锥细胞通路的调控。d a c e y 等说明了，在低于 能够激活视锥细胞的光强下，i p r g c s 仍然响应良好，证明视杆通路输入的存在。 除此之外，使用不同波长的光，i p r g c s 的反应表现出颜色对立特性，说明它们 也接收视锥通路的输入。用药理学和多电极实验同时记录多个i p r g c s 的反应， w o n g 等清楚地区分出了i p r g c s 的固有响应和突触驱动响应，而且基于 m e l a n o p s i n 反应的不敏感、缓慢的特点十分明显。使用整细胞膜片钳技术结合药 理学，研究显示i p r g c s 在黑暗中自发的接收兴奋性和抑制性的突触输入，并且 它们表达有谷氨酸、甘氨酸和g a b a 受体。当有光的时候，i p r g c s 接收一个混 合性的输入，包括无长突细胞和o n 、o f f 双极细胞，其中o n 信号更强1 7 1 巧j 。 i p r g c s 的轴突组成视网膜下丘脑束( r h t ) ，直接或间接投射到脑的许多控 制不同生理和行为功能的区域，主要包括：视交叉上核( s c n ) 、橄榄顶盖前核 ( o p n ) 、膝状体间小叶( i g i ) 、外侧膝状体核( l g n ) 、上丘( s c ) 、腹外侧 视前核( v l p o ) ，等等( 图2 1 6 ) 。i p r g c s 的神经递质主要为谷氨酸和p a c a p ， 两者的作用相近，都可以兴奋靶神经元，其中谷氨酸起主要作用，p a c a p 具有 辅助功能1 2 圳。 图2 1 6i p r g c s 的投射区域 第二章非视觉光感受系统神经通路模型 2 3 3i p r g c s 神经生理通路 基于以上各小节的分析，我们建立了非视觉光感受系统的i p r g c s 神经生理 通路，如图2 1 7 翌蒌髫日；旦 动作电位 谷氨酸和 p i a c a p 二二二： 裂蔷其它非视 去超极化调频编码 图2 1 7 i p r g c s 通路 解码 i p r g c s 在直接感受光信号的同时，也会接受上游源于视杆细胞和视锥细胞 的信号。将这几路信号进行整合，当达到i p r g c s 产生动作电位的阈值后，i p r g c s 会通过它的长轴突将动作电位以“调频编码 的形式进行远距离传输。当到达 s c n 或者其它非视觉区域后，使用谷氨酸和p a c a p 将信号传达。最终s c n 等 非视觉区域对信号进行“解码 ，并执行相应的生理和行为反应。 第三章非视觉光感受系统协同作用模型 第三章非视觉光感受系统协同作用模型 第一节协同作用生理模型 3 1 1 生理模型 综合上一章对于视网膜非视觉及其视觉通路方面的相关研究，我们建立了 视网膜非视觉光感受系统协同作用的生理模型，如图3 1 ： 内 网 状 层 图3 1 视网膜非视觉光感受系统协同作用生理模型 第三章非视觉光感受系统协同作用模型 非视觉光感受系统协同作用生理模型： 在低光强下，视杆细胞通路具有主导作用。视杆通路，一方面抑制i p r g c s 的兴奋，也相当于提高了i p r g c s 的兴奋阈值；另一方面，借助于视锥通路，提 供给i p r g c s 兴奋信号。根据分析视杆通路提供的抑制信号通常大于兴奋信号。 所以，此时整体系统如果能够提供非视觉信号的话，主要为视杆细胞通路本身 对于i p r g c s 的兴奋性输入克服抑制性输入后提供的。 随着光强的增加，视杆细胞通路开始饱和，i p r g c s 逐渐开始起主导作用。 与此同时，视锥细胞通路也开始工作。短锥细胞对低波长光敏感，通路为i p r g c s 提供兴奋信号。中、长锥细胞对于高波长光敏感，通过a 1 8 型无长突细胞，通 路逐步解除视杆通路对于i p r g c s 的抑制作用。 3 1 2 分析与讨论 我们构建的非视觉光感受系统协同作用生理模型具有以下三方面特点： 1 、该模型能够解释经过已知实验拟合的褪黑激素抑制率相对光谱灵敏度曲 线( 图3 2 ) 。短锥通路和i p r g c s 共同的正作用，促使了褪黑激素抑制率光谱灵 敏度曲线的第一个大峰值在4 2 0 n m 和4 8 0 n m 之间。在小于5 0 0 n m 处，可能是由 于模型中视杆通路本身的总体负作用，导致出现一个谷。当中、长视锥通路开 始起作用时，会减弱视杆通路的负作用，视杆通路的正作用造成了5 0 0 n m 附近 的第二个小峰。此后，随着短锥通路和i p r g c s 在高波长处作用减弱，曲线逐渐 下降。 1 2 l o 蔫 饿毒 o 一 0 0 o 4 1 1 04 5 05 5 5 06 w a v e l e n g t hl r i m i 图3 2 褪黑激素抑制率相对光谱灵敏度曲线 ( 基于b r a i n a r d 等人于2 0 0 1 年与2 0 0 8 年研究数据拟合【7 6 ，7 7 】) 壹l荡嬖嚣童篙僦 第三章非视觉光感受系统协同作用模型 2 、该模型能够解释褪黑激素的抑制拮抗理论。根据颜色视觉拮抗理论，人 眼的视锥细胞，主要有红绿，蓝黄两条拮抗通路。通路中每对颜色对光照与黑 暗成相反的反应。有实验表明，人体褪黑激素的抑制，表现为蓝一黄拮抗，并且 单纯的红色盲或者绿色盲，与正常人褪黑激素抑制没有变化。我们的模型设计 为短锥细胞通过o n 锥双极细胞作用于i p r g c s ，中、长锥细胞通过o f f 锥双极 细胞传递信号，体现了对于光暗，短锥与中、长锥通过相反的通路传递信号的 特点。 3 、该模型能够解释老鼠昼夜感觉颠倒的现象。d o y l es e 等人在2 0 0 6 年和 2 0 0 8 年做的两个实验【7 8 , 7 9 】。敲掉老鼠的r p e 6 5 - - ，o p n 4 - 基因，也就是让i p r g c s 和视锥细胞完全丧失感光能力，只有视杆细胞凭借少量9 顺视黄醛的存在继续 工作。实验发现8 0 的这种老鼠在光( 1 5 0uw c m z ) 暗周期下，昼夜感觉完全 颠倒，其它老鼠也有不同程度变化。另外，s c n 中有关生物钟的重要基因( p e r 2 ) 的表达、外周组织节律还有一些基本行为和体温的节律都发生了转换。模型中 视杆通路能够解释这一现象，老鼠对于昼夜的感觉是通过i p r g c s 上游以及 i p r g c s 本身o n 、o f f 信号的强弱决定的，通常o n 信号强于o f f 信号。当视 锥细胞和i p r g c s 失去作用后，只有视杆细胞起作用，视杆通路对i p r g c s 的o f f 信号作用大于o n 信号作用，因而昼夜感觉颠倒。而有些老鼠昼夜颠倒程度的不 同可能是由于视杆通路兴奋与抑制作用的不同配比造成的。 3 2 1 数学模型 第二节协同作用数学模型 视网膜非视觉光感受系统协同作用的数学模型是从已知的生理知识和实验 出发模拟视网膜处理非视觉光信息的功能，研究输入光和输出神经冲动之间的 关系。 1 9 9 6 年瑞士的b e a u d o t 等人使用了m i c h a e l i s m e n t e n 法则而不是传统的对数 函数来模拟光感受传递函数，建立了感光细胞光感受的神经响应电路【8 0 】。该模 型具有很多脊椎动物光感受细胞的重要特征。当感光细胞被光强为，的光持续光 照时，该电路反映出了感光细胞神经响应的两大基本特征：( 1 ) 感光细胞对输 入光强门芎暂时的低通滤波，持续时间与输入光强的大小呈反比；( 2 ) 感光细胞 2 6 第三章非视觉光感受系统协同作用模型 处于稳定状态时，神经响应遵循m i c h a e l i s m e n t e n 法则，是一个非线性的过程。 图3 3 光感受细胞神经响应电路图 基于如图3 3 所示的光感受细胞神经响应电路，可建立光强j 与光感受细胞 神经响应y 之间关系的方程： ( 3 1 ) 其中，玟为输入电导率，j 为持续输入光强，为膜漏泄电导，为光感 受细胞神经响应的最大值。设 得到 8 仃= 二 口 v ：生鳖 i + 1 7 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 第三章非视觉光感受系统协同作用模型 2 墨 图3 4 输入光强，与光感受细胞神经响应的模拟曲线。该曲线根据式( 3 3 ) 模拟，为“s ” 型正增长曲线，曲线最大值由。决定，偏移量由盯决定。 将此应用到我们之前建立的非视觉光感受系统协同作用的生理模型，开始 建立数学模型。 光源发出的光传递到视网膜上，光感受细胞的输入光子数为： ，= 軎s ( 名) 尸( 允) 旯 ( 3 4 ) 加磊、7 u 一7 其中，蚋为各光感受细胞的相对光谱灵敏度；p q ) 为光谱能量分布；8 为光学系统的光子透过率( 这里设为1 0 ，即完全透过) ；h 为普朗克常量 6 6 2 6 x 1 0 。3 4 j s ；c 为光速2 9 9 8 x 1 0 8 m s 。 根据图2 i o 所示的视锥细胞神经通路与图3 3 所示的光感受细胞神经响应 电路，建立m 与l 视锥细胞的神经响应方程： = 一 5 ， 其中，k 为作用于m 视锥细胞的归一化光子密度；屯为作用于l 视锥细 第三章非视觉光感受系统协同作用模型 胞的归一化光子密度；嵫缸为m 、l 视锥细胞的最大抑制信号；础为相关米 氏常数。 由于m 视锥细胞与l 视锥细胞共同通过o f f 锥双极细胞和a 1 8 型无长突 细胞起作用，因此将其合并。 如图2 6 所示，视杆细胞通路神经响应信号对i p r g c s 的作用有两个，一个 是促进作用，一个是抑制作用。其中，视杆通路的抑制作用还受到m 、l 视锥 通路的抑制。 结合如图3 3 所示的光感受细胞神经响应电路，建立视杆细胞促进作用的神 经响应方程： 忙篇 6 ， 其中，l 为作用于视杆细胞的归一化光子密度；嗽为视杆细胞的最大兴奋 信号；q + 为相关米氏常数。 同理，可建立视杆通路双抑制作用的神经响应方程： 吁掣 7 ， 其中，为视杆细胞的最大抑制信号；q 一为相关米氏常数。 如图2 1 0 所示，s 视锥细胞通路通过o n 锥双极细胞对i p r g c s 有促进作用， 结合如图3 3 所示的光感受细胞神经响应电路，建立s 视锥细胞通路的神经响应 方程： 圪= 撬 8 ， 其中，乞为作用于s 视锥细胞的归一化光子密度；为s 视锥细胞的最 大兴奋信号；o s c 为相关米氏常数。 通过如图3 3 所示的光感受细胞神经响应电路建立i p r g c s 的神经响