视锥细胞自发活动的起源和作用

Rod photoreceptor is extremely sentitive to light, responding to single photons. In the absence of light stimulation, rods can generate spontaneous activity, producing "dark light" that degrades the signal-to-noise ratio of visual signal and adapts rod photorecptors. Thus, spontanous activity limits light dection by rods. However, the corresponding mechanisms in cones remain unknown. Our published work has demonstrated that cone visual pigments generate high spontaneous activity when expressed in rod photoreceptors, with long-wavelength sensitive pigments having higher activity. In order to study whether spontaneous activity exists in native cones and how such activity impacts their functions, we propose to use suction-pipette recordings, truncated suction-pipette recordings, and pharacology tools to study spontaneous activity among different types of cones in goldfish. Aim 1 is to characterizde basic properties of light responses of retinal cones. Aim 2 is to study spontaneous activity of cones in the dark, and quantify it, and then figure out its origin. Aim 3 is to correlate spontaneous activity with functional differnece among cones. Our studies shall shed light on the understanding of molecular mechanisms of cone phototransduction, one frontier in the field of photoreceptor research.

视杆感光细胞极其敏感，能对单个光子产生反应。然而，在无光刺激时，视杆能产生自发电活动。该自发活动降低了视觉信号的信噪比，还作为内源性的"暗光"影响视杆细胞光转导的功能。我们前期工作表明，视锥感光蛋白分子在视杆中能产生很高的自发活动；该自发活动随感光蛋白分子最敏感波长而增高。为了研究自发活动对视锥感光功能的影响，本课题结合吸引电极记录和药理学等方法，研究： 1）有丰富色觉的金鱼红敏、绿敏、蓝敏三种视锥对光反应的基本特性；2）无光刺激时，三种视锥自发活动的大小及其产生的分子机制；3）通过等效背景光模拟自发活动的实验，研究自发活动对视锥细胞感光功能的影响。课题研究成果将为理解视锥光转导这一国际前沿课题提供理论基础。

在无感觉刺激时，初级感觉神经元信号转导通路中的信号分子和蛋白产生的自发活动引起了内源性的 “噪音”。这种自发活动可降低感觉信号的信噪比，还可使初级感觉神经元产生适应现象，从而降低感觉敏感性。如在视觉系统中，光感受器的“暗光”即是一个典型的例子。我们前期的工作对视杆细胞的暗光及其产生的机制进行了详细研究。然而，目前领域内对主导我们日常视觉的视锥细胞的暗光了解得还不清楚。在本项目中，我们发展了一种新的吸引电极记录方法，并用此研究了视锥细胞信号转导通路中各种信号分子的自发活动。我们发现磷酸二酯酶（PDE）的自发活动比较高，但该自发活动在红敏、绿敏和蓝敏视锥中的大小是相同的。进一步的实验表明，红、绿、蓝三种视锥细胞对光反应的敏感度和反应动力学的差异是由感光蛋白分子自发活性的差异及感光蛋白和下游G蛋白耦合强度的差异所决定。我们的实验结果还表明，自发活动除了降低感觉信号的灵敏度和信噪比外，还可增强感觉系统的信号编码能力。如初级嗅感觉神经元比光感受器有更高的自发活动，这些自发活动的存在，让果蝇嗅觉系统具有了双向编码的能力，扩展了果蝇嗅觉系统特异性识别气味分子的能力。