从盲点到第三种感光细胞

现在大概连小学生都知道眼睛有一个盲点，但是在历史上一直要到17世纪人们才认识到有盲点的存在。马里奥特（Edme Mariotte）想测试视神经进入视网膜处的敏感性，于是他做了一个试验：

我在墙上齐我眼睛的高度处贴上一小块圆纸片，并将其作为我的注视点。然后我在这块纸片的右方大约60厘米处贴上另一块纸片，不过比第一块纸片要稍低一些，使它有可能落在我右眼的视神经处，这时我把左眼闭起来。然后我正对着第一块纸片一点点往后退，同时始终让右眼注视着它，到距离大概有3米的地方，第二块纸片就完全看不到了。

这个试验在当时引起了轰动，马里奥特还受邀为国王路易十四（LouisⅪⅤ）做了表演。据说，当时英国国王查理二世（CharlesⅡ）对此也很感兴趣，他常常把一只眼睛闭起来，把另一只眼睛的目光移到离他不那么喜欢的达官贵人的头的一定距离处，使他们的头在视网膜中的像正好落在盲点上，从而把他们的头“砍去”。如果你也想当一回国王，按我说的做，来看看图1-5吧。

图1-5　盲点的演示。

首先闭上你的左眼，用右眼注视图左边的“+”号，然后慢慢地将书前后移动，注意右眼要一直盯着“+”号，当书移到一个适当的位置时，你会发现右边的黑圆突然“消失不见”了。它恰好落在了你右眼的盲点处。

盲点在哪？它就在血管和视神经进出视网膜的地方。人们之所以看不到落在盲点处的像，是因为盲点处没有感光器。不过，这可是后期才发现的。当时的马里奥特错误地认为：眼睛的感光层是脉络膜，而非视网膜。1791年德国人冯·宣默林（Samuel Thomas von Sömmerring）发现了视网膜上的黄斑和中央凹，不过他错把它们当成了盲点。这一错误直到19世纪30年代才得到纠正。

图1-6　冯·宣默林笔下的眼底。黄斑和中央凹在图的正中。

1838年，约翰内斯·米勒（Johannes Müller）用显微镜观察视网膜，发现视网膜上有一层圆柱形的乳头状物。德国解剖学家特雷维拉努斯（Gottfried Reihold Treviranus）把这些乳头状物和视神经以及对光的接收联系了起来，但是他想当然地认为它们是朝向玻璃体一面的，视神经则在其后。这听起来似乎很自然，所以当时米勒和其他许多人都相信这一说法。1839年，比德（Friedrich Heinrich Bidder）发现这些柱状体的尖端朝向脉络膜，这似乎“有悖常理”，于是他作出了错误的解释：它们像镜子一样把光反射到视神经上以加强图像。

图1-7　舒尔策笔下的视网膜。

然而，生物学研究必须尊重事实，而不能想当然！科学的进展常常和技术的进步联系在一起，由于组织固化技术的进步，解剖学家可以在显微镜下更清楚地看清标本。1851年，另一位米勒（海因里希·米勒，Heinrich Müller）分清了视网膜的主要层次。1852年，德国科学家克利克（Albert von Kölliker）从视网膜上区分出两类不同的光感受器：有的细胞呈细长形，被称为视杆细胞，有的细胞树突为锥体形，故被称为视锥细胞，不过当时还不知道它们在功能上的差异。1866—1867年，舒尔策（Max Schultze）发表了一系列的文章，他详细地描述了视网膜的所有10层、感光细胞的外段和内段，还描述了包括双极细胞在内的其他细胞。舒尔策指出：视杆负责夜视而没有色觉；视锥则和白天视觉有关，负责色觉和精细视觉。在人的视网膜中，视锥集中在视网膜中央，而视杆则分布在外周。他作出这样假设的根据是：在夜行动物（蝙蝠、猫头鹰等）的视网膜中视锥比视杆少；而只在白天行动的动物（如蜥蜴、鸡、变色龙和蛇）则视杆比视锥少。人在晚上看不清颜色，就可以用在昏暗的光线下起作用的视杆没有色觉来解释。

到此为止，虽然人们已经认识到视杆和视锥是感光细胞，但是它们在受到光刺激时发生了什么样的变化依然未知。1876年，博尔（Franz Christian Boll）把青蛙的视网膜从脉络膜上剥离下来，当他把视网膜放到光线下时，发现原来呈紫红色的视网膜变成了黄色。博尔把视网膜曝光前所含的这种紫红色的色素称为“视紫红质”，他还发现视紫红质仅存在于视杆之中，并且这种物质在受到光线的“漂白”之后还能够再生。在这之后的两年内，屈内（Willy Kühne）和埃瓦尔德（Carl Anton Ewald）用刚被处死的罪犯的视网膜作为材料，发现在中央凹的中心区不存在视紫红质，因为那里只有视锥。19世纪末许多人对研究新鲜视网膜上残留的像非常感兴趣。一些人甚至希望可以从被谋杀的人的视网膜上看到凶手的像！不过遗憾的是，这只是侦探小说中的噱头。至于视锥中视色素的分离则要困难得多，一直要到20世纪下半叶才解决。

从19世纪中叶开始，人们就一直认为视网膜中只有视杆和视锥这两类光感受器，但是现在知道事情并非如此。

故事得从1923年讲起。当时有一位哈佛大学研究生基勒（Clyde Keeler），正在对各种动物的眼睛做比较研究。他在自己的宿舍房间里养了一窝小鼠。有一次他把小鼠的眼睛放到显微镜下观察，结果发现有些事情不太对头，在这只眼睛里没有视杆和视锥。由于遗传突变，他饲养的小鼠中有一半没有视杆和视锥！根据当时的知识得出的结论是：这些小鼠是瞎的。

现在已经无法知道是什么原因让基勒产生了这个奇怪的念头：光照这些盲鼠的眼睛！这不简直就是白费劲么？然而，奇迹真就发生了，当光照进小鼠眼睛的时候，其瞳孔竟然收缩起来！于是，基勒认为小鼠并非完全“失明”，肯定还存在一种与看东西无关的感光细胞。但是，他的这一发现受到大多数视觉科学家的嘲笑，因无人理会而沉寂了70多年。

斗转星移，时间到了20世纪90年代初，英国神经科学家福斯特（Russell Foster）正在研究光照如何触发昼夜节律的问题。大家都知道，我们的昼夜节律和光照周期有关，如果把一个人长期关在黑屋子里，那么他的昼夜节律就会偏离24小时。在研究过程中，福斯特想起了基勒的发现，不过这次他是通过关闭视杆和视锥发育基因的方法来产生基勒的盲鼠的。他是这样考虑的：如果光触发昼夜节律的感受器是视杆和视锥的话，那么正常鼠应该有正常的昼夜节律，而盲鼠的昼夜节律就应该有所偏离，但事情并非如此。只有当他动手术把盲鼠的两个眼睛都去掉之后，它们的昼夜节律才发生改变。因此，基勒当初认为有一种对看东西没有贡献的感光细胞的想法不应该受到嘲笑！既然这些基因突变的小鼠没有视杆和视锥，但是却依然能调整其昼夜节律，福斯特猜测：小鼠眼睛中一定还有什么别的奇特的光感受器。

但这种光感受器究竟是什么呢？正当福斯特一筹莫展之时，他以前的研究生普罗文西奥（Ignacio Provencio）作出了一项看似无关的发现。普罗文西奥当时正在研究确定一种使青蛙的皮肤细胞在光照下颜色变深的蛋白质，他把这种蛋白质定名为视黑质（melanopsin）。接着他又在青蛙的其他组织中寻找这种蛋白质，出乎意料的是，普罗文西奥竟在视网膜中找到了这种细胞，而这种细胞既非视杆，也非视锥。普罗文西奥回忆说：“我想，啊哈！我们可能终于找到了这种我们找了十年之久的神秘的光感受器了。”

普罗文西奥在大鼠和人视网膜的一小部分神经节细胞中都找到了视黑质，这种细胞被称为“内禀光敏视网膜神经节细胞”（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，简称ipRGCs）。人们还发现，视黑质最敏感的光是蓝光。另外，这些细胞的轴突和其他神经节细胞轴突不一样，它们终止于昼夜节律中枢上的视束交叉核（suprachiasmatic nucleus）。许多其他实验室也随着做了很多实验，确认了这种细胞在决定鼠类昼夜节律中所起的作用，谜团终于被解开了。

2007年，福斯特见到一位罕见的女病人，由于基因突变，她的视杆和视锥细胞被破坏了，但是她的神经节细胞依然完好如初。这位病人就像那些用来做实验的老鼠一样（请原谅笔者不太有礼貌的类比，如果有谁感到受到了冒犯，这绝非笔者的本意），也能根据环境的明暗周期调整睡眠模式，甚至还能感觉房间是暗还是亮，虽然她说她看不到任何光源。正是她视网膜中这一小部分有视黑质的神经节细胞使她能做到这一切。

其他实验室做的进一步研究发现，从这些含有视黑质的神经节细胞发出的神经通路不仅通向昼夜节律的调节中枢，而且还传向调节瞳孔大小、视线转移以至恐惧和痛苦的中枢。