视觉始于光线从物体表面反射并进入我们的眼睛。瞳孔肌肉控制光线通过的量，透明的角膜和晶状体弯曲光线并将其聚焦在视网膜上，视网膜是一层薄薄的组织，覆盖着数百万个感光神经元，即光感受器。
这些神经细胞，因其形状而得名——如视杆细胞和视锥细胞——是将光转换为电信号的地方，然后通过视神经发送到大脑的视觉中心。《科学》杂志10月11日发表的一篇论文使用在体外生长的视网膜来展示视锥细胞如何发育成眼睛的颜色传感器。
我们的昼间视觉依赖于视锥细胞，因为它们对强光反应最佳（与对弱光敏感的视杆细胞相反）。这种锥体状细胞分为三种类型：蓝色、绿色和红色——每种都以它们能够检测到的光线颜色命名。我们需要所有三种颜色才能感知周围环境中的多种色调。色盲最常见的原因——影响大约8%的北欧男性和0.5%的北欧女性——是由红色或绿色视锥细胞的遗传缺陷引起的，这导致看到这些细胞检测到的两种颜色的能力降低或完全丧失。
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罗伯特·约翰斯顿，约翰·霍普金斯大学的发育生物学家，和他的同事们想了解，人眼中的发育细胞究竟是如何决定变成蓝色、绿色或红色的。先前的研究提供了一些重要的线索，表明这个过程是逐步发生的——蓝色细胞先出现，然后是红色和绿色细胞——并且甲状腺激素（一种由颈部甲状腺分泌的分子）在这个过程中起着关键作用。但是，由于对人体组织进行实验存在明显的伦理挑战，许多此类研究都是在鱼类、鸡和老鼠等动物身上进行的。虽然研究人员可以研究已故胎儿捐赠的视网膜，但几乎不可能获得早期发育某些时期的样本。
为了克服这一限制，约翰斯顿的团队决定使用人类干细胞在实验室中培育迷你视网膜，或称视网膜类器官。然后，他们让这些微型器官在培养皿中成熟九个月到一年。“我们培育它们的时间基本上相当于孕育一个婴儿的时间，”他说。
成熟结束时，迷你视网膜看起来非常像真实的人类视网膜。研究人员发现视锥细胞的形状、它们在组织中的分布以及各种蛋白质的产生方面存在相似之处。通过仔细检查在视网膜类器官中生长的视锥细胞，该团队首次在人体组织中发现了触发干细胞发育成各种类型视锥细胞的事件顺序。细胞首先开始转变成蓝色视锥细胞——在视网膜开始生长后的11到34周之间——然后红色和绿色视锥细胞在不久之后出现。“[实验室培育的]视网膜非常好地再现了人类发育，”该研究的共同作者、约翰斯顿实验室的博士生基亚拉·埃尔德雷德说。“得知这是一个研究人类发育的好系统，这令人兴奋。”
他们还发现，激活这个过程需要甲状腺激素。当研究人员使用基因编辑工具去除激素作用的受体时，他们创造了只有蓝色细胞的迷你视网膜。另一方面，他们发现，在发育早期添加更多的甲状腺激素会导致类器官几乎完全产生绿色和红色视锥细胞。“这真的是非常出色的基础生物学，”华盛顿大学的生物学家托马斯·雷（未参与最新研究）在一封电子邮件中写道，并补充说这项工作支持了早期在小鼠身上进行的研究。在 20 世纪 90 年代中期，雷和其他人报告了第一个证据，表明甲状腺激素对小鼠和鸡的视锥细胞发育至关重要。在后来的研究中，研究人员概述了这种分子在决定红色、蓝色和绿色视锥细胞在视网膜上的实际分布中所起的作用。甚至有人支持在人类身上观察到这些现象——一些临床研究表明，甲状腺激素水平低的早产儿会出现色觉缺陷。
“所有之前的发现都已[通过这项研究]得到验证，”俄克拉荷马大学健康科学中心的细胞生物学家丁希芹（Xi-Qin Ding，音译）说，她也没有参与这项工作。她补充说，科学家们还发现甲状腺激素对于维持成年动物的视锥细胞非常重要，并且她的实验室发现，抑制小鼠体内这种激素的活性可以保护啮齿动物免受视网膜变性的影响。
约翰斯顿认为，这项研究可能有助于开发未来治疗眼疾的方法，例如色盲或黄斑变性（一种与年龄相关的视网膜损伤，可能导致视力丧失）。类器官不仅可以为更详细地研究这些疾病提供平台，而且现在科学家可以控制在实验室视网膜中生长的光感受器类型，这意味着将来有一天可能“将这些东西直接移植[到患者体内]，或者预先编程干细胞，让它们成长为我们想要的特定细胞。”
目前，约翰斯顿将眼睛（拥有多种神经细胞，如各种光感受器和神经节细胞）视为更广泛地探究我们的身体如何产生不同类型神经元的理想试验场。“最近来自多个小组的数据表明，仅在眼睛中就有数百种神经元类型，”约翰斯顿说。“对我来说，如果能够为理解这些神经元是如何产生的做出贡献，并希望将这些概念推广到神经系统的其他部分，那将是我的梦想。”