感光是生物体包括人类获取外界信息最重要的途径之一。而光信号的输入不仅仅形成成像视觉(image vision)帮助生物体感知外界物体的形状、颜色和运动;还能够形成非成像视觉(non-image forming vision,NIV)使生物体对光的明暗、昼夜等获得感知,影响着生物体的多种生理功能。这些非成像视觉在哺乳动物中被认为主要是由新近发现的一类自主感光视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cells,ipRGCs)所介导。在哺乳动物眼内,ipRGCs独立于成像视觉的视锥视杆细胞能够自主感知外界光线,参与哺乳动物的非成像视觉包括瞳孔光反射、昼夜节律、睡眠等过程的调节。有别于哺乳动物经典的感光细胞视锥和视杆,ipRGCs对光的响应具有明显的长时程特性,激活或失活都远慢于视锥视杆细胞的光反应。这种特别的光感受动力学对于ipRGCs正确的行使功能具有重要意义,因为ipRGC所介导的生理过程多半不需要瞬时的光感受,而需要对长时程的光信号进行整合。从ipRGCs被发现开始时至今日,关于ipRGCs光信号转导的细节我们知道的仍非常有限。之前的工作证明ipRGCs主要通过激活Gq蛋白通路,经过PLCβ4介导的信号转导打开TRPC6/7离子通道从而产生光电流,这种光信号转导模式与果蝇复眼光感受器细胞中的光信号转导通路类似(视蛋白—Gq—PLCβ4—TRP/TRPL)。在普通的GPCRs(G蛋白偶联受体,G protein-coupled-receptors)信号转导过程中和视锥/视杆细胞内感光信号通路过程中,有一类叫做捕获蛋白(arrestins)的骨架蛋白控制着整个信号转导的时程;对于受体的快速失活、内吞、循环等具有重要作用。因此,我们关注arrestins(捕获蛋白)在ipRGCs光反应动力学中的角色和作用。由于先前的预实验表明β-arr1/2单个基因敲除的小鼠ipRGCs光反应并没有发生改变,而β-arr1/2双敲除的纯合子会出现胚胎致死的现象。因此,本课题利用基因工程手段获得了 β-arrestin1/2条件性双敲除纯合子的小鼠,并记录了 β-arrestin 1/2缺失的ipRGCs和野生型小鼠的ipRGCs光反应。与野生型相比,β-arrestin1/2缺失的ipRGCs对于单次光刺激的时程和反应幅度并未改变;但对重复光刺激的响应显著小于正常光反应幅度,需要远长于野生型的暗适应时间才能恢复;这说明β-arrestins缺失使得ipRGCs出现了持续光反应能力的缺陷。我们这一发现与基于β-arrestins传统功能的预测虽不一致,但却暗示了 β-arrestins在GPCRs信号转导的新功能。而在果蝇复眼光感受器细胞光信号转导通路中还有一类PDZ结构域的骨架蛋白INAD,该蛋白连接着信号转导过程中的重要成分PLC、PKC和TRP通道蛋白,从而对其光信号转导时程具有重要作用。那么,在ipRGCs中表达的INADL是与INAD同源的PDZ结构域骨架蛋白,其在ipRGCs光信号转导通路中是否也起到同样的作用?为了探究这一问题,我们选择从在ipRGCs中与INADL相互作用的蛋白——PLCβ4入手,通过突变PLCβ4与INADL的结合位点,并将突变的PLCβ4以病毒的方式重新导入到Plcb4-/-小鼠的ipRGCs中。我们记录了其各种条件下的光反应,并发现突变体在弱光下的光反应时程相比于野生型变快;这说明了 INADL在ipRGCs中作为骨架蛋白可能偶连着信号转导中的重要成分在维持ipRGCs长时程光反应中起到重要作用。另外,哺乳动物包括人类的成像视觉可见光波谱范围不能超过700 nm。这是由哺乳动物视网膜经典成像视觉的光感受器细胞的视蛋白固有的物理化学特性所决定。所有的视蛋白如果能够对光子能量较低的红外光产生反应,势必降低自身光异构化的能级阈值,从而会导致大量的热力学噪音。但是感知红外光对于哺乳动物虽有很大挑战,却对其生理活动具有很大的用途例如在黑暗条件下通过红外线感知清晰地辨别物体、躲避天敌等。为了使哺乳动物获得红外线感知的能力,我们设计了视网膜光感受器细胞特异性结合的上转换纳米颗粒(photoreceptor-binding upconversion nanoparticles,pbUCNPs)。这种纳米颗粒可以锚定在视网膜光感受器细胞上,作为一种红外光的转换子来创造哺乳动物的红外视觉。通过不同水平的形态学、单细胞电生理、视网膜电图、光感知行为学、视觉诱发电位、图像视觉行为学等实验,我们验证了注射这种纳米颗粒的小鼠获得了红外图像识别视觉的能力。这些发现说明,在ipRGCs感光信号转导过程中,β-arrestins和INADL同时通过不同机制维持着ipRGCs可重复的长时程持续性光反应,这对于ipRGCs介导长时程的非成像视觉具有重大意义。同时,我们通过上转换纳米颗粒人为地创造哺乳动物的红外视觉,对于基础视觉研究和人机整合设计等方面具有重要的参照意义。