温医大附属眼视光医院吴文灿团队解析斑马鱼视神经离断后视觉通路再生的时空动态变化

视神经病变导致视网膜神经节细胞（RGC）渐进性凋亡，为致盲主要病因且尚无有效的治疗方案。2024 年，美国健康高级研究计划署（ARPA-H）提出全眼球移植研究计划，旨在通过整个人眼移植的方式，完成神经与大脑连接的重建，恢复盲人和视障人群的视力。在此过程中，视神经与脑的功能重建成为全眼移植技术的核心难点。值得关注的是，视神经（Optic Nerve, ON）作为研究白质（White Matter, WM）疾病的理想组织，其相关病变在衰老及阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化等多种中枢神经系统退行性疾病中往往早期出现。与斑马鱼等低等脊椎动物不同，人类等哺乳动物的视神经损伤会造成不可逆的视力丧失 —— 因哺乳动物视神经再生能力极弱，而成年斑马鱼在视神经切断后，可自发完成视网膜神经节细胞、视神经轴突、视顶盖突触连接等整个视觉系统的修复，并恢复视觉功能。这种显著的再生能力差异，使斑马鱼成为探索神经再生机制，尤其是人类视神经修复潜在路径的理想模型。然而，当前对于斑马鱼视网膜、视神经及视顶盖投射在再生过程中的时空协调机制仍缺乏清晰的认知。本研究通过整合苏木精 - 伊红（H&E）染色、免疫组织化学、透射电镜分析、单细胞转录组测序及视动反应（OKR）等行为学检测手段，系统解析了成年斑马鱼视神经切断后 5 周内的结构重塑与功能重建动态进程。

视网膜与视神经的 “紧急修复”以及免疫细胞与神经胶质的“协作”

视神经切断后 1 周（1 wpi），视网膜神经节细胞（RGCs）数量短暂减少，但 2 周时已基本恢复。其次视神经 “肿胀”：损伤处的视神经直径在 2 周时明显增大，细胞数量激增，尤其是增殖活跃的细胞（如成纤维细胞、免疫细胞），这是组织修复的早期信号。进一步单细胞转录组测序发现，损伤 2 周的视神经中主要有 5 类细胞：成纤维细胞（修复组织框架）、壁细胞（参与血管生成）、免疫细胞（清除损伤碎片）、成熟少突胶质细胞和髓鞘形成少突胶质细胞（负责神经髓鞘再生）。组织学染色提示免疫细胞在损伤早期（1 周）大量聚集在损伤处，随后免疫细胞逐渐减少，提示它们在 “清理战场” 中起关键作用。

髓鞘再生与突触 “重建连接”

视神经的髓鞘在 1-2 周时严重损伤（脱髓鞘），3 周时开始再生，5 周时髓鞘厚度和数量接近正常，但仍需更长时间完成功能成熟（如髓鞘压实）。突触重塑：大脑视顶盖的突触在损伤后 3 天显著减少，4 周时基本恢复，提示视觉信号传导的 “中转站” 重新建立。

视觉功能恢复

为确定视网膜、视神经和大脑的结构重建是否伴随视觉功能恢复，本研究在斑马鱼视神经离断后的多个时间点进行了 OKR（一种用于评估眼球追踪运动的行为学检测方法）检测。

通过 OKR 测试观察发现，斑马鱼在视觉损伤后 3 周时，已开始对低频率视觉刺激恢复反应；至损伤后 1 个月，其对高频率刺激的反应基本恢复至正常水平。尽管 OKR 可有效测量眼动功能，但其无法完全反映视觉介导行为的复杂性。因此，本研究通过额外行为学实验评估高阶视觉反应：尽管 3 周时 OKR 部分恢复，但其他视觉行为仍存在缺陷。镜像攻击实验显示斑马鱼在镜像区停留时间延长；集群测试表明最近邻距离和个体间距离增加；社交互动减少；暗期运动活性降低。这一结果也提示高级视觉功能的恢复需要更长的时间窗，且其重建过程高度依赖于神经回路的完整性修复。

本研究的结论和意义

结合组织学、免疫组化、电镜、单细胞 RNA 测序、OKR 测试及复杂行为学分析的整合方法，揭示了斑马鱼视神经离断后神经损伤与修复的时间进程：损伤早期视网膜神经节细胞（RGCs）开始恢复，随后视神经中微管蛋白组装，伴随髓鞘逐步再生。随着神经连接和髓鞘完整性的恢复，视顶盖的突触活动逐渐恢复，最终在行为水平观察到 OKR 功能恢复。相关性分析显示，OKR 功能恢复与关键再生指标（包括突触修复、视顶盖再神经支配、视神经再生轴突数量）密切相关。

本研究首次构建了斑马鱼完整视觉通路再生的 “时空图谱”，揭示了从细胞增殖、髓鞘再生到突触重塑的精确时间顺序，为理解脊椎动物神经再生提供了框架。斑马鱼的再生机制可能为人类视神经损伤（如青光眼、视神经炎）的治疗提供靶点。例如，激活少突胶质细胞增殖或调控免疫细胞反应，可能成为促进髓鞘修复的新策略。本研究也提示促进视神经与大脑的突触重建是未来全眼球移植成功的关键。斑马鱼视神经再生就像一场精准的 “时空交响乐”：视网膜细胞先修复，视神经 “搭支架”、长髓鞘，大脑视顶盖重建突触，最终让视觉功能从损伤中 “复活”。

未来挑战与展望

目前研究依赖固定时间点采样，未来需通过活体成像和空间组学等技术观察关键细胞的再生轨迹。其次OKR 仅评估基础视觉，更高级的视觉行为如何恢复仍需结合前沿的电生理以及光遗传学等技术进一步探索。最后如何将斑马鱼的再生机制 “翻译” 到人类身上，仍需克服物种差异的障碍。

本研究得到了国家“十四五”重点研发计划项目，国家自然科学基金和博士后面上项目的资助。温州医科大学附属眼视光医院博士后沈宝国、硕士生文苑和博士生卢圣建为论文的共同第一作者，吴文灿教授和张逸夔教授为本文的共同通讯作者。