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眼球运动对于动物更好地感知外周世界具有极其重要的作用，在脊椎动物中这些肌肉的协同收缩促成了眼球的多种运动模式和各种基础反射。动眼神经核（Oculomotor Nucleus，OMN）是参与调控眼球运动的重要核团，本文将对OMN研究进展进行详细介绍：

1. 眼外肌肉及OMN的基本介绍

眼球运动需要多个横纹肌的协同收缩，分别是上斜肌（Superior oblique, SO）、下斜肌（Inferior oblique, IO）、上直肌（Superiorrectus muscle, SR）、下直肌（Inferior rectus muscle, IR）、内直肌（Medial rectus muscle, MR）、外直肌（Lateral rectus muscle, LR），从有颌鱼类开始的所有脊椎动物的眼球都具有这些肌肉。这六束横纹肌内存在三对共轭肌：

一、MR与LR控制眼球水平方向的转动。MR的收缩使眼球从颞侧向鼻侧转动并伴随LR的舒张，此时控制该MR的运动神经元会经历一个Burst-tonic的放电模式，以起始并维持肌肉的紧张从而使眼球运动到合适的位置，反之LR的收缩使眼球从鼻侧向颞侧转动，其相应的运动神经元也经历一个Burst-tonic的放电模式；

二、SR与IR控制眼球垂直方向的转动。SR的收缩使眼球自下向上的转动，IR则控制眼球自上向下转动；

三、SO与IO控制眼球的整体旋转。前者控制眼球内旋并可进一步控制眼球下转及外转，后者则控制眼球外旋以及上转和外转。此外在哺乳动物的眼球中还有几束平滑肌调节输入眼球的视觉信息，包括位于睫状体内的睫状肌（Ciliary muscle），位于虹膜内的瞳孔括约肌（或缩瞳肌，Pupillary sphincter）以及瞳孔开大肌（或扩瞳肌，Pupillary dilator）。平滑肌中的睫状肌主要控制晶状体的厚度以调节视线焦点远近，缩瞳肌与扩瞳肌协同控制瞳孔大小以调节光线进入眼球的量。而在大多数硬骨鱼类中眼球内仅发现一晶状体牵引肌（Retractor lentis muscle）以控制晶状体的位置（图1）。

（图1. 绝大多数眼外肌肉的运动模式示意图）

眼球运动有两种经典的模式并广泛存在于脊椎动物中，分别是扫视或眼跳（Saccade），以及平滑追踪（Smooth pursuit）。扫视可以理解为视线焦点从一个点运动到另一个点以观察周围环境，伴随着共轭肌的交互收缩以及其对应的运动神经元交替放电。平滑追踪则是眼球对于视野中运动物体的追踪，涉及到神经元从持续增强对肌肉的控制到降低放电松弛肌肉的不断往复。

以人类为例，眼球运动涉及多对脑神经的控制，包括第三对脑神经动眼神经（nIII，Oculomotor nerve）、第四对脑神经滑车神经（nIV，Trochlear nerve）、第六对脑神经外展神经（nVI，Abducens nerve）。

整体为乙酰胆堿能的动眼神经核（Oculomotor nucleus，OMN）支配MR、SR、IR、IO以及控制睁大眼眶的上睑提肌（Levator palpebrae superioris），同时附属于该核团的动眼神经副核（或埃丁格-韦斯特法尔核，Edinger-Westphal nucleus，EW）通过向位于眼球附近的睫状神经节投射副交感乙酰胆堿能纤维并由后者控制睫状肌和缩瞳肌运动。而外展神经核（Abducens nucleus，ABN）中的运动神经元控制LR，滑车神经核（Trochlear nucleus，TN）控制SO。OMN神经元对不同肌肉的支配存在空间拓扑投射分布，并且OMN内侧神经元支配对侧SR。此外，位于主体核团前背侧的EW中仅有一个亚核团投射至睫状神经节，而上睑提肌由后背侧的一群神经元控制（图2）。

(图2.人类OMN的空间拓扑投射模式)

在鱼类中，对共有的眼外肌肉的神经支配与高等动物完全一致，表明其高度保守。此外，既有研究以及斑马鱼介观脑图谱的数据也显示在鱼类中OMN神经元存在空间拓扑投射现象（图3），表现为背侧的神经元投射至同侧IR及MR，腹外侧的神经元投射至同侧IO，而腹侧神经元投射至对侧SR。此外，鱼类中的EW核同样通过投射至睫状神经节来控制晶状体牵引肌[1]。

(图3.斑马鱼中OMN的空间拓扑投射示意图[2])

2. OMN在人类以及鱼类中的解剖学定位及发育相关研究

在人类及鱼类中OMN均位于中脑，位于TN的前侧。鱼类中，OMN和TN排列在一起大致位于中脑与后脑的分界线处，EW则位于OMN的前侧偏外侧位置并具有不同于OMN的分子标记（图4）。

(图4.人类OMN的定位（左）和鱼类OMN的定位（右）)

作为一个良好的发育生物学模型，鱼类也被用来探讨OMN的发育进程及轴突导向过程。针对斑马鱼的研究发现OMN约在24hpf（hours post fertilization）左右可被观察到，并随发育时间增长，神经元的数量自背侧向腹侧增加[2]。并且，OMN神经元的轴突约在30hpf左右开始向眼眶延伸，而在44hpf左右到达眼眶外并停滞于此，直到50hpf所有眼外肌肉发育完成后才进入眼眶并最终于72hpf左右与对应肌肉产生突触连接。OMN轴突的正确导向以及分支的修剪涉及alpha2-Chimaerin的正确表达，后者参与调控细胞骨架[3]。鱼类整体OMN发育及轴突生长过程可由图5大致表示。

(图5.鱼类OMN发育过程及轴突生长过程示意图[2])

3. OMN参与控制眼球运动及眼动相关反射的环路基础

3.1 OMN上游输入追踪

OMN作为一个明确的运动控制区域，找到其上游信息的输入是一个解析其生理功能的重要研究方向。通过逆行场电位特征找到该核团并结合逆行染料示踪的方式是寻找其上游核团的经典方法[4]。一些示踪研究表明，鱼类中的OMN主要接收来自前庭核团（或听核团，Octaval nucleus/Vestibular nucleus，VN）、小脑、ABN以及菱脑网状结构（Rhombencephalic Reticular Formation，RRF）的同侧或对侧输入[5]。在柱状排列的前庭核团各个副核中主要由前侧听核团（Anterior octaval nucleus，AO）、下行听核团（Descending octaval nucleus，DO）以及切向核（Tangential nucleus，T）中的神经元投射至OMN，其中在AO存在抑制性信号输入[4]。这些核团都直接接受通过第八听神经传入的内耳前庭的听觉信息及前庭信息，此外AO也接收小脑中浦肯野细胞的投射[6]。

另外，上文提到ABN中的运动神经元能控制外直肌，其中一部分非乙酰胆堿能神经元——核间神经元（Internuclear neurons，INN）可以激活对侧OMN以控制对侧眼球的内直肌收缩，因此如果需要双眼在水平方向向一侧转动只需激活转动方向的ABN即可。同时，上文所述RRF受到视顶盖（Optic Tectum，OT）神经元的投射[7]，OT是鱼类中处理视觉信息的重要结构，直接收到来自视网膜节细胞的视觉信息输入。总之这些核团对于OMN的支配与下文描述的眼动相关通路具有重要关系。

3.2 涉及OMN的眼动及眼动相关反射的环路研究

眼球运动一直以来是一个十分有趣的问题。目前针对眼球运动机制提出了一个模型称为神经积分器模型（Neural Integrator Model，图6）。由于眼球运动需要两个信息指导分别是眼动速度和眼动的距离或位置。在该模型中，OMN或ABN上游存在后脑Burst Neuron（BN），其接受来自上游的扫视、平滑追踪的运动指令，也接收来自前庭以及视觉相关通路的感觉信息，BN的激活促使其向下游释放一个Burst信号以编码眼动速度信息，同时其将信息输出给后脑的另一个核团即神经积分器，由该核团将Burst信号转换为Tonic放电以编码位置信息并传输给下游运动核团（因此积分器在眼动过程中保持Tonic放电），进而使得眼动同时具有速度和运动位置两个信息。

(图6.眼动神经积分器模型示意图[8])

以哺乳动物水平扫视及注视为例，该环路中由皮层向脑干的上丘（Superior Colliculus）传递扫视相关指令，并被进一步传输给后脑的旁桥正中网状结构（ParamedianPontine Reticular Formation，PPRF）。PPRF包含两群BN，分别是兴奋性的（EBN）和抑制性的（IBN），平时它们被Omnipause region的神经元抑制以防止产生不自主的眼动。EBN被激活后会激活转动方向一侧的ABN并同时激活舌下前置核（Nucleus of prepositus hypoglossi，NPH），后者即扫视与凝视相关的积分器，并由其进一步产生Tonic放电以持续刺激ABN，ABN中的INN的轴突又通过内侧纵束（Medial longitudinal fasciculus，MLF）激活对侧OMN进而引起双眼向一侧转动。同时，PPRF中的IBN又抑制对侧的ABN防止四条共轭肌同时激活。

在鱼类中可以认为基本具有这条环路以引起鱼类扫视，表明该皮质下通路的保守性，然而问题是运动相关的命令从何而来。研究表明OT可能是驱使眼动信息的重要来源，电刺激投射至RRF的OT神经元能够显著引起扫视，而如果激光损毁一侧OT会引起鱼类扫视能力大大下降，表明了OT对于扫视的重要性。在鱼类中，扫视相关的积分器核团主要位于后脑，因此被命名为后脑速度-位置神经积分器（VPNI, [9]），该核团的神经元表现出经典的眼动期间Tonic放电模式，并且具有两侧投射的现象。此外，鱼类中观察到了双侧眼球存在不同步转动的现象，如偶尔向两侧旋转或旋转角度不一致。针对VPNI的研究发现该核团中的存在控制单眼转动的神经元也存在控制双眼转动的神经元，表明其特殊性[10]。

上文提到BN收到前庭位置信息和视觉信息的输入，这涉及到两条重要的相应环境变化的反射途径：眼动反射（Optokinetic reflex，OKR）和前庭-眼反射（Vestibulo-ocular reflex，VOR）。前者表现为在视野不断移动的过程中，动物的眼球会向移动的方向进行同步的移动以保持视野清晰，后者则表现为头的位置或体态的改变引起眼球的运动，如头向左转眼球会自主向右转以保持聚焦。这两条反射途径涉及到一条共用的环路，即VN控制ABN并进一步控制OMN以调节眼动的通路。在OKR中，VN接受来自视束核（Nucleus of optic tract）传输来的视觉信息，而在VOR中，VN直接感受来自前庭半规管及椭圆囊传入的位置信息。哺乳动物中VN同样是一个复杂核团，其中内侧前庭核（Medial vestibular nucleus，MVN）起到积分器的作用，在这两条通路中将PPRF的Burst信号转化为位置信息（图7）。

(图7.哺乳动物OKR与VOR通路简图)

同样的，鱼类也具有这两条反射，OKR也是衡量动物视觉能力的重要指标。针对鱼类上OKR的环路研究表明，前顶盖（Pretectum，PT）与OKR直接相关，而非OT[11]。激活或抑制PT的神经元能够直接引起或抑制OKR，该区域直接接受视网膜节细胞的视觉信息输入，因此满足OKR的上游机制。此外，PT中含有对不同视野移动方向刺激特异响应的神经元[11]，然而其如何调控眼动的机制仍不清楚。对单个神经元的建模示踪分析表明PT中部分神经元具有向中脑投射的轴突，包括投射至MLF、OMN等结构，也发现某些神经元会投射至后脑网状结构[12]。另外，小脑尾侧的一些神经元也被证明在OKR期间会被激活，而对这些神经元进行光遗传学抑制会显著抑制OKR的产生，激活一侧的这些小脑神经元则表现为对侧视觉刺激的OKR被抑制，表明存在一条对侧交互通路，然而具体的机制则不清楚[6]。可以根据上文所述示踪研究认为，鱼类中小脑可能会直接投射至OMN或间接通过AO调节OKR或其他眼动。鱼类中的OKR途径可用图8来概括。

(图8.鱼类OKR相关通路[13])

在鱼类VOR通路上的研究表明该通路同样十分保守，即VN直接感受来自前庭的输入并在感知到体态变化时引起VOR，然而让人感兴趣的是在VN中不同的内部核团各自的功能。切向核（T）被发现能够直接投射到对侧的OMN，并被证明在鱼头上下转动时可以起始OMN控制上直肌和下直肌[14]。同样，AO中靠内侧神经元会投射至OMN腹侧神经元，这些神经元支配对侧上直肌，因此激活这些AO神经元也能够引起眼球自发向上旋转，损毁这些神经元则使得鱼不能响应上下旋转头部引起的VOR[15]。

爪蟾幼虫的神经系统及感觉系统与鱼类非常相似，研究发现，爪蟾VOR的产生不只有前庭信息的起始，也包括躯干运动传入的信息，脊髓中的腹根神经元感知到躯干运动后能够将该运动的模式以电信号形式忠实反馈给脊髓中的中枢模式发生器（Central pattern generators，CPGs），并由CPGs直接传输给躯干运动方向对侧的ABN进而调控眼球运动[16]。

OMN也涉及到瞳孔对光反射（Pupillary light reflex）以及调节反射（Accommodation reflex），这两条途径在哺乳动物中由EW完成最终的控制。对于前者，当强光照射一侧眼球时，视神经入脑的一束分支不进入外侧膝状体而是向双侧投射至位于后脑的前顶盖神经元并由其控制EW，进而同时引起两侧眼球的瞳孔缩小。调节反射是动物自发调整焦距以更好观察近距离物体的过程，该途径需要皮层输入视觉信息并由EW控制睫状肌调节焦点。然而在较原始的鱼类中，只有绝大多数软骨鱼和极少数硬骨鱼存在收缩瞳孔的现象，在鲨鱼的虹膜中发现存在平滑肌并被认为是由EW支配的[17]，并且其调节瞳孔的速度与哺乳动物相近，而能够缩小瞳孔的硬骨鱼中缩瞳的速度要显著的慢，并且其机制也有待揭示[18]。

最后，OMN也与快速动眼睡眠时期（REM）有相关性。在哺乳动物中发现REM过程中伴随着ABN神经元的高度活跃，间接说明了OMN在REM期间的作用。此外，在剥夺REM的大鼠中能够发现OMN神经元的胆堿乙酰基转移酶免疫组化阳性率随着剥夺时间增长显著上升[19]。在斑马鱼中有人指出存在类似REM的睡眠时相，但在研究中并没有观察到在该类似REM的时期中存在快速不规则的眼动现象，并且也没有进一步观察各个核团在该时期中的活跃水平[20]。因此，OMN是如何在REM中被激活以及这样快速眼动的具体生理作用还有待阐明。

4.小结与展望

眼动以及OMN为何一直以来都是学界的重要研究对象？报告人认为有这几点原因：

第一，眼球运动是经典的感觉运动途径并且涉及到许多重要生理过程。眼外肌肉的产生使得动物能够更自由地感知外周世界，看到的场景范围更大，这无疑对于动物的生存、捕食等生命活动是具有极大帮助的，这也使得一些基础的通路以及神经支配关系保持高度保守。

第二，许多疾病会涉及到眼球运动障碍，如一侧MLF的病变就会导致同侧眼肌麻痹，这是因为对侧ABN的信息无法传输给OMN所致。又如帕金森、糖尿病等疾病都会带来眼球肌肉运动障碍或麻痹，精神分裂症患者无法区分扫视过程中场景的变化。对于眼球运动的环路解析有助于找到这些疾病引起的运动障碍的机理并开发出对应的疗法或药物。

第三，眼动过程中涉及到的神经积分器也是一个十分有趣的结构，解码其将Burst信号转换为Tonic信号的逻辑对于人工智能的运用、深度学习算法开发等具有启示意义与运用价值。

那么我们又为什么要用鱼特别是斑马鱼来研究OMN相关的眼动过程呢？报告人认为，首先鱼类具有在本此报告中涉及的绝大多数眼球运动行为与反射现象，并且这些运动以及反射的环路基础以及相关核团非常保守，这要得益于鱼几乎完全含有的高等动物皮层下脑结构。因此，针对高等动物中无法进行一些环路研究以及空间拓扑投射关系研究，鱼可以作为一个更好的对象来进行阐明，并且相关工作也在本次报告中有所涉及。最后就是利用鱼脑的优势，通过功能成像等方法，在全脑范围找到更多响应特殊眼动或反射过程的神经元，找到它们的空间位置并解析它们的工作机理。

同样的，在回顾了针对鱼类OMN及眼动相关的研究后能够发现许多问题仍待解决，比如OKR中精细的环路基础到底是如何架构的，响应不同视觉方向刺激的PT神经元具有何种下游支配差异等。在这些通路中各个上下游核团间的空间拓扑投射关系又如何，这也是斑马鱼介观脑图谱有能力回答的。另外，鱼类如何调节瞳孔大小也是一个有趣的问题。最后，如果鱼具有REM或类似REM的睡眠时期，阐明OMN在REM时期的运作模式也是一个不错的研究对象。

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