得益于一项基因操作,三只色盲小鼠最近获得了像人类一样看到世界色彩的能力。
小鼠和非灵长类哺乳动物——很像色盲患者——看到的色调相对较少,因为它们的视网膜包含感光细胞(具有感光色素蛋白的细胞),这些细胞仅吸收蓝色(短波)和绿色(中波)波长的光。科学家表示,包括人类在内的大多数灵长类动物都有第三种受体,也可以吸收红色或长波长的光,这要归功于一位灵长类祖先,他在大约 4000 万年前传递了一个突变基因。
加州大学圣巴巴拉分校的心理学家杰拉尔德·雅各布斯表示,这项让小鼠能够看到全彩色的研究,是“为了复制灵长类动物色彩视觉进化的第一阶段”。他说,像人类一样看到世界的能力“需要额外的传感器——或感光色素——以及能够比较信号的神经系统。”
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仅仅添加新的感光细胞是否足以使动物能够处理新的色调,还是需要一些大脑重塑——这将需要几代连续发展才能完成?本周发表在《科学》杂志上的发现:新的感官输入是增强视觉所需的全部,例如,从一盒 16 色蜡笔到一盒 128 色蜡笔。
雅各布斯和约翰霍普金斯大学医学院的分子生物学和遗传学教授杰里米·纳坦斯训练了经过基因改造而拥有全套感光细胞的小鼠,以区分正常小鼠不会注意到的颜色阴影差异。
雅各布斯说,实验只使用了雌性小鼠,因为编码色素蛋白的基因位于雌性或 X 染色体上。纳坦斯的研究小组对小鼠进行了基因改造,使其拥有人类长波长受体基因,而不是它们的中波长受体。当它们与正常小鼠繁殖后,雄性后代(只携带一条 X 染色体,而雌性则有两条)最终在视网膜中拥有全部中波长或长波长感光细胞,但绝不会两者混合。
然而,一些雌性小鼠最终拥有了两种感光细胞的基因:一条 X 染色体上的中波长基因和另一条 X 染色体上的长波长基因。在雌性身体的每个细胞中,其中一条 X 染色体会被随机灭活以消除冗余。视网膜中的一些细胞会灭活编码长波长受体的染色体,而另一些细胞会使中波长受体基因沉默。因此,一些视网膜细胞会具有中波长感光色素,而另一些细胞会产生长波长感光色素。
然后,研究人员让变异雌性小鼠接受光线辨别测试,其中包括三个彩色面板——两个颜色相似的面板和一个在亮度或阴影上不同的面板。经过一段重要的训练期——研究人员进行了 10,000 多次试验,奖励那些挑出不同面板的小鼠一滴豆浆——三只拥有全套感光细胞的小鼠能够 80% 的时间正确指出不同的面板。另一方面,正常小鼠的成功率仅为三分之一左右,这个百分比相当于随机猜测。
雅各布斯指出,并非所有变异小鼠都能成功完成颜色辨别测试,这可能表明物种在进化过程中如何处理新引入的能力。他补充说,下一步将是确定大脑如何整合新的颜色信号,并进行区分不同阴影所需的比较。他断言:“这表明,你不仅可以扩大动物感知刺激的范围,而且它们还可以获得新的感官体验维度。”