視覺始於光線從物體表面反射並進入我們的眼睛。瞳孔肌肉控制光線透過的量，透明的角膜和晶狀體彎曲光線並將其聚焦在視網膜上，視網膜是一層薄薄的組織，覆蓋著數百萬個感光神經元，即光感受器。
這些神經細胞，因其形狀而得名——如視杆細胞和視錐細胞——是將光轉換為電訊號的地方，然後透過視神經發送到大腦的視覺中心。《科學》雜誌10月11日發表的一篇論文使用在體外生長的視網膜來展示視錐細胞如何發育成眼睛的顏色感測器。
我們的晝間視覺依賴於視錐細胞，因為它們對強光反應最佳（與對弱光敏感的視杆細胞相反）。這種錐體狀細胞分為三種類型：藍色、綠色和紅色——每種都以它們能夠檢測到的光線顏色命名。我們需要所有三種顏色才能感知周圍環境中的多種色調。色盲最常見的原因——影響大約8%的北歐男性和0.5%的北歐女性——是由紅色或綠色視錐細胞的遺傳缺陷引起的，這導致看到這些細胞檢測到的兩種顏色的能力降低或完全喪失。
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羅伯特·約翰斯頓，約翰·霍普金斯大學的發育生物學家，和他的同事們想了解，人眼中的發育細胞究竟是如何決定變成藍色、綠色或紅色的。先前的研究提供了一些重要的線索，表明這個過程是逐步發生的——藍色細胞先出現，然後是紅色和綠色細胞——並且甲狀腺激素（一種由頸部甲狀腺分泌的分子）在這個過程中起著關鍵作用。但是，由於對人體組織進行實驗存在明顯的倫理挑戰，許多此類研究都是在魚類、雞和老鼠等動物身上進行的。雖然研究人員可以研究已故胎兒捐贈的視網膜，但幾乎不可能獲得早期發育某些時期的樣本。
為了克服這一限制，約翰斯頓的團隊決定使用人類幹細胞在實驗室中培育迷你視網膜，或稱視網膜類器官。然後，他們讓這些微型器官在培養皿中成熟九個月到一年。“我們培育它們的時間基本上相當於孕育一個嬰兒的時間，”他說。
成熟結束時，迷你視網膜看起來非常像真實的人類視網膜。研究人員發現視錐細胞的形狀、它們在組織中的分佈以及各種蛋白質的產生方面存在相似之處。透過仔細檢查在視網膜類器官中生長的視錐細胞，該團隊首次在人體組織中發現了觸發幹細胞發育成各種型別視錐細胞的事件順序。細胞首先開始轉變成藍色視錐細胞——在視網膜開始生長後的11到34周之間——然後紅色和綠色視錐細胞在不久之後出現。“[實驗室培育的]視網膜非常好地再現了人類發育，”該研究的共同作者、約翰斯頓實驗室的博士生基亞拉·埃爾德雷德說。“得知這是一個研究人類發育的好系統，這令人興奮。”
他們還發現，啟用這個過程需要甲狀腺激素。當研究人員使用基因編輯工具去除激素作用的受體時，他們創造了只有藍色細胞的迷你視網膜。另一方面，他們發現，在發育早期新增更多的甲狀腺激素會導致類器官幾乎完全產生綠色和紅色視錐細胞。“這真的是非常出色的基礎生物學，”華盛頓大學的生物學家托馬斯·雷（未參與最新研究）在一封電子郵件中寫道，並補充說這項工作支援了早期在小鼠身上進行的研究。在 20 世紀 90 年代中期，雷和其他人報告了第一個證據，表明甲狀腺激素對小鼠和雞的視錐細胞發育至關重要。在後來的研究中，研究人員概述了這種分子在決定紅色、藍色和綠色視錐細胞在視網膜上的實際分佈中所起的作用。甚至有人支援在人類身上觀察到這些現象——一些臨床研究表明，甲狀腺激素水平低的早產兒會出現色覺缺陷。
“所有之前的發現都已[透過這項研究]得到驗證，”俄克拉荷馬大學健康科學中心的細胞生物學家丁希芹（Xi-Qin Ding，音譯）說，她也沒有參與這項工作。她補充說，科學家們還發現甲狀腺激素對於維持成年動物的視錐細胞非常重要，並且她的實驗室發現，抑制小鼠體內這種激素的活性可以保護齧齒動物免受視網膜變性的影響。
約翰斯頓認為，這項研究可能有助於開發未來治療眼疾的方法，例如色盲或黃斑變性（一種與年齡相關的視網膜損傷，可能導致視力喪失）。類器官不僅可以為更詳細地研究這些疾病提供平臺，而且現在科學家可以控制在實驗室視網膜中生長的光感受器型別，這意味著將來有一天可能“將這些東西直接移植[到患者體內]，或者預先程式設計幹細胞，讓它們成長為我們想要的特定細胞。”
目前，約翰斯頓將眼睛（擁有多種神經細胞，如各種光感受器和神經節細胞）視為更廣泛地探究我們的身體如何產生不同型別神經元的理想試驗場。“最近來自多個小組的資料表明，僅在眼睛中就有數百種神經元型別，”約翰斯頓說。“對我來說，如果能夠為理解這些神經元是如何產生的做出貢獻，並希望將這些概念推廣到神經系統的其他部分，那將是我的夢想。”