ipRGCs在成像视觉通路中的作用和机制

Vision includes imaging vision mediated by rods/cones, and non-image forming vision mediated by intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell (ipRGC). ipRGC project to the subcortical brain regions such as SCN, OPN, and LHb, which regulate circadian rhythm, pupillary reflex, and emotion. Recent studies show ipRGCs make contact with normal ganglion cells through electric synapses and ipRGC also project to the LGN which is the thalamic nuclei for imaging vision. Specifically, mice without rods/cones still recognize certain patterns. These facts suggest that ipRGCs must participate in imaging visual coding. However, how ipRGC works in the imaging vision is unclear. Therefore, the current project will use the electrophysiology, two-photon imaging, optogenetics, and behavior experiments, to answer "where and how ipRGC participates in imaging vision: retina or visual cortex”. The project may reveal the role and mechanism of ipRGCs in imaging vision.

视觉分为经典的由rod、cone介导的成像视觉（imaging vision）和自主感光神经节细胞（ipRGCs）介导的非成像视觉。研究表明，ipRGCs能够投射到SCN、OPN、LHb等脑区的核团，行使对动物的昼夜节律、瞳孔反射、情绪等的调节的功能。但是，ipRGCs通过电突触与普通神经节细胞联系和投射到成像视觉通路上的LGN的事实及人们发现没有视锥视杆的老鼠仍然能够识别一定的图案，暗示我们ipRGCs必然参与到成像视觉编码中。然而，我们对ipRGC在经典成像视觉通路中如何发挥作用的机制并不清楚。所以该项目依托实验室具备的电生理、双光子成像、光遗传、活体实验、视觉刺激、转基因鼠等手段，拟回答“ipRGC怎么与其他视网膜细胞进行突触连接”以及“ipRGC是否影响成像视觉在视网膜上的编码及对视皮层细胞成像视觉响应是否有影响”的问题，从而揭示ipRGCs在经典的成像视觉中所起的作用和机制。

视觉分为经典的由rod、cone介导的成像视觉（imaging vision）和自主感光神经节细胞 （ipRGCs）介导的非成像视觉。但是，ipRGCs通过电突触与普通神经节细胞联系和投射到成像视觉通路上的LGN的事实及人们发现没有视锥视杆的老鼠仍然能够识别一定的图案，暗示我们ipRGCs必然参与到成像视觉编码中。本项目拟回答“ipRGC在经典成像视觉通路中如何发挥作用的机制”这一基础科学问题。本研究通过跨突触病毒示踪工具，确定了ipRGCs → dLGN → V1的结构性神经环路投射。利用缺失视杆和视锥细胞的rd1;cone-DTA转基因小鼠，结合在体双光子皮层钙成像的方法，我们证明了光可以通过ipRGCs激活小鼠V1第2/3层神经元。ipRGCs对V1的功能性输入暗示其可能对视觉图像的特征编码有贡献。通过转基因敲除melanopsin的表达，我们发现ipRGCs光感受的缺失会显著减弱小鼠V1第2/3层神经元的方位选择性（orientation selectivity），包括降低了方位选择性指数（orientation selectivity index）和最优方位响应强度（response at preferred orientation）、增加了调谐宽度（tuning width）。进一步，通过在ipRGCs中表达化学遗传学蛋白hM4Di或调控移动光栅中的光谱组分来降低ipRGCs的兴奋性，我们发现ipRGCs的兴奋性减弱同样也会显著性减弱小鼠V1第2/3层神经元的方位选择性。最后，我们利用Go/NoGo行为学系统探究ipRGCs的感光对小鼠视觉感知能力的影响。结果表明ipRGCs的光感受提升了小鼠对移动光栅的方位区分能力（orientation discriminability），并且能识别的最小方位差也更小，该结果与V1第2/3层神经元的钙成像记录结果一致。综合以上结果我们证明ipRGCs的感光能提高小鼠V1方位选择性和视觉方位区分能力，因此对成像视觉功能有着非常重要的正向调节作用，丰富了ipRGCs在调节视觉图像特征编码中的未知功能。