鼠眼看世界

作者：@Chris Tung 、@MaSup

審稿：@長尾電阻

前言：小鼠視覺皮層的研究對神經科學家來說就像智能手機。大家都覺得很有必要買一部，但又難免懷疑研究小鼠的視覺到底會帶來便利，還是會轉移人們的注意力。

如果要說哪種生物給人類的貢獻最大，那一定是老鼠無疑——沒有它們，就沒有米老鼠、湯姆和傑瑞，以及眾多科研成果。這次我們的小鼠要參與的研究是視覺研究。n眾所周知，小鼠是夜行性動物，在移動時主要依賴嗅探進行定位，其視覺能力實在是不發達。一首名為《三隻瞎老鼠》英文童謠里是這樣唱的，如下圖：

圖1. 英國童謠《三隻瞎老鼠》

誠然，嚙齒類必定不是研究視覺最好的動物。但是因為其繁殖周期短、易於進行基因操作，在倫理道德審批時也比其他物種容易，使用嚙齒類作為實驗動物也的確是一種必然的趨勢。 n

放在幾十年前，如果選擇用小鼠進行視覺研究，那一定會被人認為不是瘋了就是傻了，但是最近十幾年來情況已有極大改變。在2012年2月，位於美國華盛頓州西雅圖的Allen腦研究所公布了預算超一億美元的小鼠視覺分布腦圖譜計劃。尤其是光遺傳技術橫空出世之後，人類可以使用光來精確控制單個細胞在毫秒級時間內的活動，有科學家認為這項技術也許可以幫助人們解析視覺環路。但是由於針對猴子實驗的倫理審批實在是很嚴格，小鼠無疑又成為了他們關注的焦點。

小鼠視覺的研究同樣從重複視覺領域最著名的動物實驗開始。通過借鑒上世紀五六十年代諾貝爾獎獲得者Hubel和Wiesel進行的電生理實驗，研究人員驚喜地發現，小鼠的神經元同樣有著視覺選擇性和朝向性。這項研究的成功復現燃起了人們使用小鼠研究視覺的信心，同時也為功能環路的解析帶來曙光。

圖2. Hubel和Wiesel與1958年發現視覺初級皮層的神經元對特定的朝向的視覺刺激敏感，發現了視功能柱結構。

使用小鼠作為視覺研究的對象有很多限制，因為小鼠的視覺的確很差。目前學界認為小鼠的視力僅相當於人類的20/2000，也就是說，如果是人類的話，這個程度的視力那基本上就是睜眼瞎了。一般來講，小鼠最好的視覺能力僅僅相當於我們遠眺時外周視力那樣的清晰程度。大概是個什麼樣的清晰程度呢，見下圖左邊。

圖3:小鼠視覺能力和恆河猴之間的對比

小鼠和靈長類之間有著許多不同，差異最大最直觀的也就是大腦體積了：整個鼠腦的大小只有恆河猴負責視覺部分腦區的五十分之一，而恆河猴初級視皮層的神經元數量也相當於小鼠的1000倍。這樣差距註定小鼠視覺的工作方式和高級生物之間存在巨大的鴻溝。近年來的研究主要把重點放在剖析小鼠視覺的基礎結構和中央途徑上。小鼠的視覺系統遠沒有當初以為的那麼簡單。恆河猴與人類同屬靈長類，具有視中央凹和三色視覺，而小鼠則只有二色視且也並沒有視中央凹。

圖4：人類眼球與小鼠眼球結構對比

說了這麼多，應用小鼠作為視覺研究的模型看起來似乎bug到處都是，那麼所謂的好處究竟在哪裡？首先，最常被說到的就是小鼠具有「遺傳學」上的優越性。現在快速發展的遺傳學工具使得科學家們很容易鑒定小鼠的神經元類型，也可以通過各種神奇的神經環路示蹤技術追蹤神經元之間的網路連接，甚至可以記錄活體細胞對視覺刺激的反應和選擇性。同時，由於快速發展的光遺傳技術，穩定地操控小鼠也很容易，比如可以通過使用Cre小鼠和分子生物學工具標記特定的細胞，使得操控神經元成為可能。並且，小鼠的神經系統沒有靈長類那麼複雜，所以就系統生物學的角度來說，大規模採集數據進行數據分析並進行數據可視化都是可以完成的工作。

說了這麼多其核心的問題就在於：拿小鼠研究視覺，到底有沒有卵用？一方面，小鼠的視覺細胞呈現出了與更高級的動物（比如貓、猴子等類似的功能，即選擇性)所以從小鼠入手能為我們最終理解人腦的神經環路打下基礎；另一方面，由於神經細胞數量的差異，小鼠和靈長類動物的同一種功能背後的機制可能完全不同，就像汽車和水推車都有四個輪子，也都遵守牛頓定律，但是它們的動力來源卻沒有什麼可比性。所以，小鼠的視覺研究總的來說是有價值的，但對於更進一步的結論，我們仍要保持謹慎。n

註：此文為腦人言編譯計劃的其他作品，由本科生、低年級研究生在專欄作者幫助下完成科普作品創作。想加入該計劃的話，請見前文：招賢納士 - 知乎專欄。

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參考文獻：

Huberman, A. D., & Niell, C. M. (2011). What can mice tell us about how vision works?. Trends in neurosciences, 34(9), 464-473.

Baker, M. (2013). Through the eyes of a mouse. Nature, 502(7470), 156.

Pinto, L. H., & Enroth-Cugell, C. (2000). Tests of the mouse visual system. Mammalian Genome, 11(7), 531-536.

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