脊椎动物视网膜结构是“反式”的，即光线要穿过视网膜各层才能到达感光细胞的外节被吸收。而到达外节前最后的“路障”是一簇紧密排布在内节的线粒体。感光细胞能耗高，因此有大量线粒体并不意外，奇怪的是为什么这些线粒体会有序地聚集在光路的最后一程呢？李巍实验室建立了独特的单层感光细胞内节的实验范式，首次得以直接观察感光细胞线粒体对光线的影响。他们发现弥散的入射光通过线粒体簇以后汇聚到了外节的位置，从而高效地将光子递送到吸收区。他们还进一步用三维电镜重构的线粒体簇作了光波传播的计算机模拟，获得了高度一致的模型结果。简而言之，线粒体簇相当于感光细胞内的一个微晶体。

近百年前，英国科学家Stiles和Crawford在研究路灯和车灯对视觉的影响时意外地发现，同样的光线如果从瞳孔正中射入的话要比从瞳孔边缘射入的看上去更亮。换而言之，感光细胞细胞有角度选择性，可以增强对直射的光线的反应从而提高分辨率。这一现象 (Stiles-Crawford Effect) 被称为二十世纪最重要的视觉科学发现之一，但是其机理一直不甚明了(Weistheimer, 2008, PMID: 18765346)。在这篇文章里，根据感光细胞线粒体簇的晶体特性，李巍团队推断如果入射光角度偏移的话，部分汇聚的光线会错过外节的位置从而减少被吸收的光量——这正好可以解释Stiles-Crawford Effect!  他们用实验和模拟数据证实了这一推论。

这个开创性的工作还有以下几个重要意义。1. 细胞器除了传统意义上的功能之外还可能有其他完全不相关的特殊功能。 这个现象类似于进化和发育领域 "gene-sharing” 的概念——进化总是利用一切可以利用的元素来实现功能最大化。2. 脊椎动物眼睛传统上被认为是单晶体的"相机式”结构，与之相对，昆虫等则拥有"复眼”——每个感光细胞有自己的晶体元件。这个工作发现脊椎动物单个感光细胞其实也有自己的微晶体，因此在概念上连接了这两类不同的视体结构，体现了进化的殊途同归。3. 这个工作将Stiles-Crawford Effect和线粒体结构联系起来，而很多视网膜变性疾病和代谢相关，会造成线粒体应激而改变其结构，所以Stiles-Crawford Effect这个简单可测的视觉生理现象可以用作临床视网膜疾病的早期诊断工具。

这个工作的可行性很大程度上得益于李巍实验室特殊的动物模型——地松鼠，这种动物具有罕见的以视锥细胞为主的视网膜，极大地方便了这个实验范式。另外，地松鼠还有冬眠的特性，这个工作利用了冬眠时感光细胞线粒体结构的改变来检测其微晶体功能的相应变化。

Science Advances在2020年底还发表了另一篇关于Stiles-Crawford Effect的非常有意思的工作，描述了相关的感光细胞结构光依赖性的发育过程 （由霍普金斯大学游景威实验室的柴祖英博士等完成， PMID: 33328242）。

相关论文信息：

DOI: 10.1126/sciadv.abn2070