人类大脑通过整合不同感觉通道的信息来构建对外部世界的连贯感知，而视觉信号的时空同步对形成统一的视觉体验至关重要。然而，视网膜神经节细胞（RGCs）的轴突长度差异巨大——中央凹附近的轴突较短，而周边视网膜的轴突可长达数厘米。如果所有轴突以相同速度传导信号，长轴突的信号将延迟到达大脑，导致视觉感知的时空失真。但事实上，人类并未察觉这种延迟，表明视网膜或大脑存在某种补偿机制，这种补偿机制尚不清楚。

2025年7月16日，巴塞尔分子与临床眼科学研究所（IOB）Felix Franke研究院团队在Nature Neuroscience上发表了题名为“Synchronization of visual perception within the human fovea”的研究论文。研究结合电生理记录、行为学实验、高分辨率成像和计算建模，首次揭示人类视网膜通过动态调节无髓鞘轴突的直径和传导速度，使不同长度的轴突信号几乎同步到达视神经盘，从而确保视觉感知的时空一致性。
 

研究亮点
1、发现新机制
首次揭示人类视网膜通过调整无髓鞘轴突的直径和传导速度来实现信号同步，填补了视觉神经科学的空白。
2、跨学科方法
结合电生理学、行为学、解剖学和计算建模，为神经信号传导研究提供了多角度证据。
3、高分辨率技术
使用高密度微电极阵列（HD-MEA）和自适应光学扫描激光检眼镜（AOSLO），实现了单锥体细胞水平的刺激与反应测量。其中 HD-MEA 的 axon tracking 功能，实现了不同位置 RGC 的轴突传播速度测量。
4、临床意义
为理解青光眼等轴突传导异常的疾病提供了新视角，可能启发新的诊断或治疗策略。
5、进化启示
发现长轴突通过增大直径提高速度的机制可能为灵长类特有，解释了人类大眼球中视觉信号的高效整合。

Maxwell HD-MEA
Maxwell HD-MEA的很多特点使得它受到神经科学家们及人工智能科学家们的青睐：
3265 electrods/mm²的高密度电极
Maxwell MEA芯片上有26400个电极。这样的密度使其可以记录2D培养物中几乎每一个活细胞；而对于3D类器官更为关键，因为类器官与芯片接触面积通常比较小，如此高的密度提供了足够的记录位点获取大量神经元信息。
 

Maxwell MEA 芯片

可进行 Axon tracking 分析
该功能可实现神经元的轴突传播速度测量。
可放在培养箱内进行记录
这使得在记录过程中细胞能够维持良好的生理状态，支持反复长期的检测。
低本底噪音，高信噪比
仅为2.4微伏的本底噪音保证了高质量的读取信号，使得AI系统获得足够丰富的输出信息。
电极可作为刺激电极
在2万多个电极中每一个电极都可作为刺激电极给出刺激，这在构建的AI系统中成为重要的信息输入的媒介。在此，高电极密度也为这种信息输入提供了高空间分辨率的特性。
可开放API，实现快速实时反馈系统
Maxwell HD-MEA可开放API，允许其它软件的操控，灵活地设计输入输出模式，能够在输入与输出间建立实时的反馈。

研究结果
研究通过高密度微电极阵列（HD-MEA）记录人类中央凹视网膜神经节细胞（RGCs）的电活动，发现轴突传导速度与胞体位置密切相关。实验显示，远离视神经盘（颞侧）的RGCs轴突传导速度比靠近视神经盘（鼻侧）的快40%以上。研究者通过免疫标记、电信号重建和轨迹追踪（1,135条轴突），证实中央凹周围轴突呈环状分布，且传导速度在轴突大部分区段保持稳定（除近胞体200 µm区域）。
这一发现揭示了视网膜通过动态调节轴突传导速度，补偿不同长度轴突的信号传输延迟，为视觉信号时空同步机制提供了关键证据。
 

图1. 人类中央凹周围动作电位传导速度呈现系统性变化

a. 样本制备示意图（十字标记为中央凹，椭圆标记为视神经盘）。b. HD-MEA记录后经β-III微管蛋白免疫标记的中央凹外植体。中央凹的孔洞源于HD-MEA记录后的组织移除（小圆：中央凹小窝；大圆：中央凹）。c. 上：RGC轴突动作电位波形视频连续帧（起始后1.4-2.05ms），颜色表示波形幅度；下左：距胞体不同距离的平均动作电位波形（黄色方框），红色方框标记波谷；下右：传导时间与距离的线性回归（虚线）。d. 上：代表性中央凹RGCs电信号图像；下：18个代表性RGCs的合成图像。e. 上：一个样本的RGC轴突轨迹重建（三条轴突用黑箭头突出）；小圆：中央凹中心（下方放大图）；大圆：中央凹小窝。插图：中央凹中心视锥细胞（橙色圆盘）与靶向RGCs（灰色圆盘）的连接模式。f. 1135个RGCs胞体位置（11个外植体），颜色表示轴突传导速度；放射线为30°分区。g. f图中各角度分区RGCs的轴突传导速度（均值±标准误）。红线：最佳拟合正弦曲线。-165°（0.67±0.02 m/s）与15°（0.48±0.01 m/s）存在显著差异。h. 颞侧（T，深灰）与鼻侧（N，浅灰）中央凹RGCs传导速度比较（中位数：T 0.53 m/s，N 0.48 m/s；双侧Wilcoxon秩和检验*P<0.001）。i. AOSLO光刺激示意图。j. 一位受试者中央凹小窝的光刺激位置（相对于CDC）。k. j图中各角度分区的反应时（均值±标准误），组间无显著差异（最小P值：大光斑0.25，小光斑0.99）。l. 七位受试者标准化反应时（双侧Wilcoxon秩和检验均不显著）。

中央凹单视锥刺激的均一反应时间
研究通过高精度光刺激实验验证了视网膜信号传导的同步机制。使用自适应光学扫描激光检眼镜（AOSLO）对中央凹单视锥进行定位刺激（最小1.8μm光斑）发现：尽管颞侧RGC轴突比鼻侧长近一倍，但受试者的颞/鼻侧反应时间无显著差异，且统计排除颞侧快1.0-5.6ms的可能性。这一结果直接证实了"等传导时间假说"，表明视网膜通过精确调控颞侧轴突的传导速度（提升40%），完全补偿了其长度劣势，确保不同位置视觉信号同步到达视神经盘。

轴突传导速度随离心率增加而提升
研究发现视网膜轴突传导速度随离心率增加而提升。研究人员通过HD-MEA技术记录人类和食蟹猴离体视网膜神经节细胞（RGCs）的动作电位，发现中央凹区域的传导速度最低，随着离心率的增加而提高，但在远周边区（>10mm）提升幅度减小。人类视网膜数据显示，1,186条追踪轴突的平均速度为1.13±0.30 m/s，最大达2.31 m/s。食蟹猴实验结果与人类相似，且在远周边区不同方位（上、下、颞、鼻侧）的传导速度分布虽略有差异，但平均速度相近。
这些发现表明，视网膜通过调节轴突传导速度来适应不同离心率区域的信号传输需求，为理解视觉信号传导的时空协调机制提供了新见解。

通过光刺激反应识别RGC类型
研究通过光刺激反应特征成功区分了灵长类视网膜两种主要神经节细胞（RGCs）：传导速度较慢、呈现持续反应的侏儒细胞（中央凹占90%）和传导较快、表现瞬时反应的伞状细胞（周边区占40-45%）。研究者采用全视野闪光刺激结合UMAP降维和聚类分析，在人类和猕猴视网膜的5,241个RGCs中鉴定出ON、OFF和ON-OFF三种响应模式，其中ON-OFF细胞在中央凹缺失的发现与已知解剖学特征一致。

这一方法不仅验证了周边区传导速度提升与伞状细胞占比增加的相关性，更为视网膜神经环路的细胞类型特异性研究提供了可靠技术路径。

图2. 功能分型揭示侏儒细胞与伞状细胞的轴突传导速度随离心率变化的规律（人类与猕猴视网膜比较）
a. 从上至下：HD-MEA光刺激记录示意图；"ON-OFF"光刺激时序；代表性ON型侏儒细胞放电响应点阵图（每行一次刺激，竖线代表动作电位）；下方为平均放电率。b-d. 人类中央凹(b)、周边区(c)和猕猴周边区(d)RGCs光响应聚类分析。左：标准化平均放电率响应；右：UMAP投影的功能聚类（数字对应左侧细胞类型）。e. 人类中央凹与周边区侏儒细胞（紫）和伞状细胞（绿）动作电位速度分布（中位数±标准差）。中央凹伞状细胞速度显著更快（P<0.01），周边区差异更显著（*P<0.001）。f. 猕猴周边区结果（伞状细胞1.08±0.21 m/s显著快于侏儒细胞0.92±0.24 m/s，***P<0.001）。

侏儒与伞状细胞轴突速度随离心率增加而提升
研究发现视网膜神经节细胞的传导速度具有细胞类型和区域特异性：伞状细胞始终快于侏儒细胞，且周边区速度普遍高于中央凹。人类中央凹侏儒/伞状细胞速度分别为0.6/0.7 m/s，周边区提升至0.9/1.1 m/s。值得注意的是，周边侏儒细胞甚至快于中央凹伞状细胞，揭示细胞类型与空间位置对速度的协同调控。虽然速度可作为局部区域细胞分类指标，但跨区域比较时需考虑基线差异。

人类视网膜轴突轨迹的数学模型构建
通过建立基于拉普拉斯方程的3D数学模型，首次完整描述了人类视网膜神经节细胞轴突的轨迹分布。研究者发现中央凹周围轴突的排布模式与物理场力线高度相似，因此在模型中设定中央凹为化学物质扩散源、视神经盘为汇、视网膜边缘为环形源，仅用5个参数就精确模拟了轴突生长轨迹。模型验证显示，其预测的轴突路径与免疫标记实验数据高度吻合。更重要的是，通过整合灵长类RGC密度数据，该模型成功预测了视网膜神经纤维层（RNFL）的厚度分布，与临床OCT检测结果一致。

这些结果不仅揭示了轴突生长的物理规律，还为理解青光眼等RNFL异常疾病的病理机制提供了新视角，实现了从微观轴突传导到宏观视网膜结构的跨尺度阐释。

图3. 基于拉普拉斯方程的模型证明轴突传导速度与轴突长度相关

a. 拉普拉斯方程解示例（黑线：势场线；红点：源；蓝点：汇）。b. 视网膜轴突轨迹3D模型：眼球几何结构（上）；化学浓度梯度场（中）；轴突密度分布（下）。c. 中央凹区模型预测轴突轨迹（黑线）。d. 模型轨迹（黑）与全视网膜成像估算轨迹（彩）叠加。e. 模型与实验轨迹方位角比较（虚线：理论完美拟合）。f. 中央凹速度数据（黑）与模型轴突长度（红）随角度变化。g. 速度与轴突长度的线性回归。h. 不同视网膜区域的RGCs速度分布（实线：完全补偿所需速度）。

传导速度补偿视网膜轴突长度差异
研究发现视网膜通过调节轴突传导速度部分补偿长度差异：中央凹周围颞侧轴突（7.5mm）比鼻侧（3.8mm）长近一倍，但实测颞侧轴突速度更快，使信号时间差从理论上的2倍（15ms vs 8ms）显著缩小。模型分析表明，伞状细胞和侏儒细胞分别需要10ms和15ms的传输时间才能完全补偿，但实际仅实现部分补偿，揭示了视觉系统信号同步的精细调控机制。

轴突直径决定传导速度
该研究通过透射电镜首次系统量化了人类视网膜无髓鞘轴突的直径分布特征。对中央凹周围四个位点的超11万轴突测量显示：1）所有区域均存在小直径（高丰度）和大直径（低丰度）双峰分布；2）轴突直径与模型计算的轴突长度显著正相关（3.7mm→7.3mm时直径增加80%），完美匹配此前发现的传导速度梯度；3）荧光标记证实轴突直径在长程上保持稳定。这些发现直接证实了"直径-速度"理论在人类视网膜中的适用性，揭示视觉系统通过精确调控轴突形态学特征（直径）来优化信号传导效率的生物学策略，为理解神经信号传导的物理基础提供了关键实验证据。
 

图4. 视网膜神经节细胞轴突直径随视网膜内轴突长度增加而增大

（所有数据来自同一供体）a. TEM采样位点（a-d）与模型轨迹叠加。b. TEM图像分割示例（颜色区分不同轴突）。c. 四个位点的轴突直径分布（黑线：高斯混合模型拟合）。d. 轴突直径与模型长度的正相关关系（长度3.7→7.3mm时直径增加80%）。

研究总结
该研究首次揭示人类视网膜通过动态调节无髓鞘轴突的直径和传导速度，实现视觉信号的时空同步。

研究发现，中央凹颞侧轴突通过增大直径（提升80%）和增速（40%）补偿长度劣势，使不同位置信号同步到达视神经盘（时间差<2.5ms）。结合高密度微电极阵列、自适应光学和心理物理学实验，该工作阐明了灵长类视觉系统维持高时空分辨率的关键机制，为神经信号传导理论和青光眼等疾病研究提供了新范式。

参考文献：
Bucci A, Büttner M, Domdei N, et al. Synchronization of visual perception within the human fovea. Nat Neurosci. 2025 Jul 16. doi: 10.1038/s41593-025-02011-3.

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