研究简介:鸟类视网膜内层在正常生理条件下长期处于完全无氧状态，而眼眶内一个争论了几个世纪的特有血管结构—栉状结构，并非传统认为的"视网膜供氧器官"，而是通过血液与玻璃体之间交换葡萄糖、乳酸和CO₂，为这一无氧代谢提供代谢支持。鸟类视网膜是代谢最活跃的神经组织之一，却完全没有内部血管；其视网膜厚度居脊椎动物之首（如短趾蛇雕可达630 μm，超过哺乳动物氧扩散极限4倍以上），加之高海拔迁徙时动脉氧分压仅为海平面的27%，氧供挑战极为严峻。研究人员以斑胸草雀为模型，用pO₂敏感微传感器测量活体视网膜氧分布，发现从脉络膜向视网膜存在陡峭的氧梯度：外核/外网状层尚有氧，而内网状层、神经节细胞层和神经纤维层则完全无氧。缺氧标记pimonidazole在内层视网膜显著富集。氧扩散通量模型显示，栉状结构对视网膜的供氧仅占总量的0.76%（脉络膜为6.2 nmol min⁻¹，栉状结构仅0.037 nmol min⁻¹）。即便吸入纯氧，内层视网膜仍维持无氧直至超过正常动脉pO₂上限约50%，证实其在一切正常生理状态下必然无氧。


空间转录组学显示，无氧内层视网膜糖酵解基因表达评分显著升高，且与模拟组织pO₂呈强负相关，而氧化磷酸化和脂肪酸β-氧化评分与pO₂呈正相关；磷酸戊糖途径和抗氧化系统无内外层差异，排除了"糖酵解仅为抗氧化供NADPH"的替代解释。¹⁴C-2-脱氧葡萄糖放射自显影显示视网膜单位面积葡萄糖摄取是脑干的2.56倍。机制上，栉状结构高表达GLUT1（log₂FC=2.09）和MCT1（log₂FC=2.70），血浆葡萄糖25.9 mM经栉状结构降至玻璃体14.9 mM，玻璃体乳酸24.6 mM又高于血浆4.20 mM，表明葡萄糖由血→玻璃体→视网膜、乳酸反向清除。CA4高表达及玻璃体pCO₂（74.7 mmHg）高于动脉血（26.6 mmHg）提示其还参与CO₂清除。


单细胞转录组显示Müller胶质细胞足突高表达GLUT1/MCT1，构成玻璃体—视网膜代谢物交换界面。跨物种比较（蜥蜴、龟、鳄、鸡、鸽、草雀）表明，视网膜无氧耐受与增厚、细胞致密的视网膜在现存鸟类冠群中协同演化，起源于与鳄类祖先分化之后，可能为恐龙时代就已具备，并作为"预适应）"使鸟类在高海拔低氧迁徙中维持视觉功能。


Unisense微电极系统的应用


Unisense O₂微电极（微传感器）作为核心生理测量工具，被用于直接获取斑胸草雀活体视网膜的高空间分辨率氧分压剖面数据。研究人员利用该微电极从脉络膜向玻璃体方向进行精准穿刺测量，首次在活体水平上揭示出从脉络膜到视网膜内层存在陡峭的氧梯度—外核层与外网状层尚能获取一定氧气，而内网状层、神经节细胞层及神经纤维层则完全处于无氧（anoxia）状态。这一物理测量结果不仅与缺氧标记物哌莫硝唑在组织学上的富集区域高度吻合，为“内层视网膜长期无氧运作”提供了最直接的实证，还作为关键输入参数被用于构建氧扩散通量模型，定量计算出栉状结构对视网膜的氧通量仅占总量的0.76%，从而彻底推翻了长期以来认为栉状结构是视网膜供氧器官的传统假说。


此外在实验性提高血氧分压的干预实验中，Unisense微电极持续监测显示，即便吸入纯氧，内层视网膜的pO₂仍维持在无氧水平，直至动脉pO₂超过正常上限约50%时才有所改变，这强有力地证实了鸟类内层视网膜在任何正常生理状态下都必然依赖无氧代谢的适应性特征。Unisense微电极通过其高精度的活体氧分布测绘能力，不仅直接驱动了本研究核心假说的提出与验证，也为后续空间转录组学分析中模拟组织pO₂与糖酵解基因表达评分的相关性研究提供了不可或缺的生理参数基准。 。


实验结论


研究通过活体氧分压测量、空间转录组学、单细胞转录组学、放射自显影及跨物种比较等多学科手段，得出以下核心实验结论：首先利用pO₂敏感微传感器在麻醉斑胸草雀活体上测得，从脉络膜向视网膜存在陡峭的氧梯度——外视网膜（光感受器层）尚有氧，而内网状层、神经节细胞层及神经纤维层完全处于无氧状态。缺氧标记物pimonidazole在内层视网膜显著富集，从组织学上印证了这一活体氧分布。其次氧扩散通量模型定量显示，栉状结构对视网膜的供氧仅0.037 nmol min⁻¹，占总供氧量的0.76%（脉络膜为6.2 nmol min⁻¹），且吸入纯氧实验表明内层视网膜仍维持无氧直至动脉pO₂超过正常上限约50%，从而明确推翻了“栉状结构为视网膜供氧”长达数个世纪的传统假说。空间转录组学揭示无氧内层视网膜糖酵解基因表达评分显著升高，且与模拟组织pO₂呈强负相关，而氧化磷酸化与脂肪酸β-氧化评分与pO₂呈正相关；磷酸戊糖途径与抗氧化系统无内外层差异，排除了糖酵解仅为抗氧化供NADPH的替代解释。


¹⁴C-2-脱氧葡萄糖放射自显影进一步证实视网膜单位面积葡萄糖摄取是脑干的2.56倍。机制上栉状结构高表达GLUT1、MCT1与CA4，血浆到玻璃体的葡萄糖浓度梯度与玻璃体到血浆的乳酸及CO₂梯度表明，栉状结构实为葡萄糖进入、乳酸与CO₂排出的“反向交换器”。单细胞转录组显示Müller胶质细胞终足特异性高表达GLUT1与MCT1，构成玻璃体—视网膜代谢物交换界面，连接栉状结构的营养供给与内层视网膜的无氧糖酵解。最后，跨物种比较证实，非鸟类爬行类视网膜全程有氧，而鸟类内视网膜广泛缺氧，栉状结构供氧占比仅0.75%–5.1%。最简演化模型表明，视网膜缺氧耐受、增厚且细胞致密的视网膜及栉状结构的代谢功能在现存鸟类冠群中协同起源，并作为预适应使鸟类在高海拔低氧迁徙中维持视觉功能而不发生视网膜细胞死亡。。

图1 、鸟类视网膜氧分布与栉状结构功能假说。a, 鸟类眼球解剖示意图，显示脉络膜、视网膜及玻璃体内栉状结构的位置。b, 两种竞争假说：(i) 传统假说认为栉状结构向视网膜供氧；(ii) 本研究提出的新假说：栉状结构不参与供氧，视网膜内层处于慢性缺氧/无氧状态。c, 斑胸草雀视网膜氧分压（pO2）实测剖面（灰线为单次测量，红线为均值），显示从脉络膜到玻璃体的陡峭氧梯度。d, 将氧剖面映射至视网膜组织分层：外视网膜（光感受器层）有氧，内视网膜（内网状层、神经节细胞层）完全无氧。e, 缺氧标记物吡莫硝唑在内视网膜积累更多，而血管化的视神经头区域染色较弱；细胞核呈蓝色。f, 氧扩散通量模型显示，栉状结构向视网膜提供的氧通量远低于脉络膜。g, 实验性提高血液氧含量（吸入纯氧）仅当超过常氧动脉 pO2的50%时，才能使内视网膜 pO2升至无氧阈值以上。

图2、内视网膜依赖无氧糖酵解供能。a, 空间转录组学将代谢通路基因表达评分叠加于视网膜组织切片。b–d, 糖酵解通路基因在内视网膜（缺氧区）表达评分升高（b），而氧化磷酸化（c）与脂肪酸β-氧化（d）基因在外视网膜（富氧区）表达更高。e–g, 糖酵解评分与模拟组织 pO2 呈强负相关（F1,940=752,P<0.001,Radj2=0.44）（e）；氧化磷酸化（f）与β-氧化（g）评分与 pO2 呈正相关。h,i, 放射自显影显示视网膜对放射性标记的2-脱氧葡萄糖摄取率高于脑组织（h为成像，i为定量）。

图3 、 栉状结构介导代谢物交换。a, 空间转录组显示栉状结构高表达 SLC2A1（GLUT1，葡萄糖转运蛋白）、SLC16A1（MCT1，乳酸转运蛋白）与 CA4（碳酸酐酶4）。b,c, GLUT1在栉状结构高表达（b为聚类点图，c为原位杂交/免疫荧光验证）。d, 血浆葡萄糖浓度（25.9 mM）显著高于玻璃体（14.9 mM）（t6=8.45,P<0.001）。e,f, MCT1在栉状结构高表达（e为点图，f为验证）。g, 玻璃体乳酸浓度（24.6 mM）显著高于血浆（4.20 mM）（t6=14.7,P<0.001）。h,i, CA4在栉状结构高表达（h为点图，i为验证）。j, 玻璃体 pCO2（74.7 mmHg）高于动脉血（26.6 mmHg）（t3=3.86,P=0.0307）。k, 栉状结构功能模型：从血液向玻璃体转运葡萄糖，从玻璃体向血液转运乳酸与CO₂

图4 、 Müller胶质细胞介导玻璃体—视网膜代谢交换 。a, 单细胞转录组显示视网膜神经元普遍表达 SLC16A3（MCT4，低亲和力乳酸转运蛋白），而Müller胶质细胞高表达 SLC2A1（GLUT1）与 SLC16A1（MCT1）。b,c, 免疫荧光证实GLUT1（b）与MCT1（c）富集于Müller细胞终足（vimentin标记Müller细胞）。比例尺：20 μm。d,e, 模型：Müller细胞终足构成代谢交换界面，通过GLUT1将葡萄糖从玻璃体转运至视网膜，通过MCT1将乳酸从视网膜转运至玻璃体。

图5、视网膜缺氧耐受的演化。a, 比较脊椎动物视网膜氧分布：非鸟类爬行类（蜥蜴、龟、鳄鱼）视网膜全程有氧；鸟类（鸡、鸽、草雀）内视网膜广泛缺氧。b,c, 栉状结构供氧占比仅0.75–5.1%（b，绝对通量；c，相对占比）。d,e, 演化树显示：视网膜增厚、栉状结构与缺氧耐受在鸟类冠群中协同起源（d为采样物种表型，e为最简演化模型）。


结论与展望


神经组织对缺氧极为敏感，依赖密集的血管网络来满足其极高的氧气、营养物质需求以及废物清除功能。在鸟类中，代谢需求最高的神经组织之一——视网膜——缺乏内部血管。研究发现，尽管外层视网膜的感光细胞外段能够获取氧气，但内层鸟视网膜长期处于缺氧状态，其代谢依赖于视网膜神经元内的无氧糖酵解作用。我们提供了证据表明，位于鸟类玻璃体中的独特血管化结构“眼柄”为缺氧的内视网膜提供葡萄糖，并清除乳酸。


研究认为，眼柄对鸟视网膜缺氧耐受性的代谢支持，首先促成了厚实细胞密集、无血管视网膜的演化，而这种结构后来又成为一种趋同进化产物，使视网膜在高海拔迁徙期间得以维持功能。该研究推翻了栉状结构供氧的经典假说，确立了"栉状结构—Müller细胞—无氧糖酵解"这一全新的鸟类视网膜代谢支持范式。Unisense pO₂敏感微电极（微传感器）作为核心生理测量工具，被用于直接获取斑胸草雀活体视网膜的高空间分辨率氧分压剖面数据。Unisense优尼森微电极通过其高精度的活体氧分布测绘能力，不仅直接驱动了本研究核心假说的提出与验证，也为后续空间转录组学分析中模拟组织pO₂与糖酵解基因表达评分的相关性研究提供了不可或缺的生理参数基准。