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Nature解答关于梵高的百年生物学谜题

来源/作者:Jone   发表时间:2016-04-18 14:12:56  
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        梵高的画作《星空》(Starry Night)中旋转的天空是一个困扰生物学家达一个多世纪的谜题——我们是如何在光线昏暗的夜空中看出蓝颜色的?加州理工学院(Caltech)的研究人员说,在小鼠中新发现的一个色觉机制或许可以帮助解答这一问题。

 

梵高的画作《星空》(Starry Night)中旋转的天空是一个困扰生物学家达一个多世纪的谜题——我们是如何在光线昏暗的夜空中看出蓝颜色的?加州理工学院(Caltech)的研究人员说,在小鼠中新发现的一个色觉机制或许可以帮助解答这一问题。

由生物科学教授Markus Meister实验室完成的这项工作,发布在4月14日的《自然》(Nature)杂志上。

在人类,视觉是通过两类光敏感光细胞:视杆细胞和视锥细胞来实现的。当这些光感受器检测到光线时,它们会向视网膜中的特化神经元——视网膜神经节细胞(RGCs)发送信号,随后通过沿着视神经发射电脉冲将视觉信息传送至大脑。

标准的生物学教科书可能会这样解释:昏暗光线下的视觉是通过视杆细胞来实现——这些敏感的光探测器只能生成黑白视觉。另一方面,彩色视觉是通过视锥细胞来实现,这些细胞在明亮的光线下活化。人类有三种视锥细胞,每一种视锥细胞都包含不同的光敏化合物(色素),响应不同的光颜色或光波长。我们有红、绿、蓝色敏感视锥细胞,大脑通过比较它接收的来自附近每种视锥细胞的不同信号来感知颜色。

为了探究是否还存在其他的色觉模式,Meister和他的研究小组研究了另一种动物:小鼠。以往的一些行为研究表明,小鼠确实具有某种形式的色觉能力。在人类,这样的视觉依赖于视锥细胞获得的光信号。小鼠具有两种类型的视锥细胞——一种视锥细胞对中波长绿光敏感,另一种对短波长紫外线敏感。

Meister说:“在小鼠的身上有一个奇怪的现象:这两种视锥细胞实际上定位在视网膜的不同部位。小鼠用它的紫外线敏感视锥细胞看到视野的上部区域,用绿光敏感视锥细胞看到视野的下部区域。我们想知道当用一种或另一种视锥细胞分析图像的任何指定部分时小鼠是如何感知颜色的——这意味着大脑无法比较两种视锥细胞信号来确定颜色。”

研究人员发现,在小鼠视网膜中一种类型的神经元——JAMB视网膜神经节细胞(J-RGC)至关重要。这些J-RGCs可以将颜色信号发送到大脑,因为它们可以响应绿光更快速地放电,而响应紫外线停止放电。奇怪地是,J-RGC被绿光所开启,即便是在不包含绿光敏感视锥细胞的视野上部区域。 
通过其他的实验,Meister和他的研究小组发现了J-RGC比较来自紫外线敏感视锥细胞和视杆细胞的信号的机制,视杆细胞也对光谱的绿色部分敏感。这第一次揭示出了,视网膜视杆细胞与视锥细胞之间一种重要的对立关系。视杆细胞兴奋了一种叫做水平细胞(horizontal cell)的神经元,随后抑制了紫外线敏感视锥细胞。

Meister和他的同事、第一作者、哈佛大学的Maximilian想确定,这种色觉模式是否在自然环境中帮助了小鼠。为此,他们给一台摄像机安装了滤器,来复制小鼠视杆细胞和视锥细胞检测到的波长,并利用它拍摄了小鼠在自然中遇到的植物和材料。

他们的摄影寻物游戏生成了两种材料——种子和小鼠的尿液。相比通过人类的色觉,小鼠的绿光和紫外线系统更加能够看到它们。研究人员推测,由于小鼠需要以种子为食物,利用尿液来进行社会通讯,它们或许利用了这一机制来找到食物和发现邻居。

Meister说,有理由相信从视杆细胞、水平细胞到视锥细胞,相同的信号通路对人类感知昏暗光线下的蓝色负责。在人类视网膜中,水平细胞优先抑制了红色和绿色敏感视锥细胞,但却未抑制蓝色敏感视锥细胞。

“在真正昏暗的光线下,我们的视锥细胞并未接收到足够的光子来起作用,但它们继续独立于光线向视网膜的其余部位发送了低水平的基线信号。视杆细胞是活化的,它们通过水平细胞抑制了红色和绿色视锥细胞。由于来自红色和绿色视锥细胞的基线信号受到抑制,看起来蓝色视锥细胞更加活化。到视网膜的其余部位,似乎在视野中的一切都是蓝色的。”

因此,或许梵高对夜空的颜色选择即是一个生物学决定,也是一个艺术决定。“纵观人类历史,颜色一直令科学家、艺术家和诗人感到好奇。我们的研究论文更深入地了解了世界的这一特性是如何被感知的,”Meister说。

十九世纪梵高最著名的作品,莫过于那副称为“向日葵”的油画了,这些向日葵放置在一个花瓶里,画家大量运用了细微变化的黄色和棕色,暗示着生命伴随着死亡和腐朽的气息。这种颜色的运用对于艺术欣赏,以及画院学生来说是神谛,但是对于医师和医学研究研究人员来说,则是诊断梵高在精神失序方面的一个证明。Journal of the American Medical Association杂志上一篇论文的作者,已经推断出梵高对色彩的奇特感官来自其癫痫病治疗的毒副作用——他使用的是一种古老的配方,用于配置苦艾酒,以及治疗从色弱到青光眼的各种眼疾。

2005年,纽约大学的生物学家利用果蝇研究来分析影响光受体间选择的机理:一个给定的颜色光受体能够随机决定表达一种蓝色或者绿色光色素,但是表达两种光色素都可能导致感觉混乱。因此,存在一种确保光受体作出明确的决定的开关机制。有趣的是,与这个开关有关的基因似乎是一个肿瘤抑制途径的一部分。

据外国媒体报道,为什么女人总是觉得男人不能为她们挑选到满意的衣服?2012年的一项研究发现这或许并不稀奇,因为男性与女性看到的颜色并不太一样。

 

推荐原文索引:

Meister's work was published in a paper titled "A neuronal circuit for color vision based on rod-cone opponency." Funding for the work was provided by the National Institutes of Health and The International Human Frontier Science Program Organization.

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