Фоторецепторные нейроны: Недопустимое название — Циклопедия

Трансплантация фоторецепторных клеток для коррекции слепоты в эксперименте

Трансплантация фоторецепторных клеток для коррекции слепоты в эксперименте

Среди причин частичной или полной утраты зрения значительная доля приходится на патологию фоторецепторного аппарата — врожденных аномалий, отслойку сетчатки различного генеза, пигментную дистрофию сетчатки и др. К сожалению, существующие способы лечения не всегда эффективны, а при ряде заболеваний радикальные методы коррекции вообще отсутствуют. Вместе с тем, установлено, что 80-90% информации о состоянии внешнего мира человек получает посредством зрения. Утрата этого чувства или его существенное ослабление приводит к стойкой инвалидизации, почти полной социальной дезадаптации.

Сетчатая оболочка глаза — сложно устроенная структура, по своему гистогензу вполне соответствующая части головного мозга, вынесенной на периферию организма. На 4-5-й неделях эмбриогенеза происходит выпячивание глазного пузыря из материала выстилки переднего отдела будущего мозга. На этой стадии будущая сетчатка представлена двумя слоями нейробластов.

Вдальнейшем происходит увеличение количества клеток и их дивергентная дифференцировка, которая приводит к тому, что к 8-му месяцу внутриутробного развития человека формируется морфологически дефинитивная сетчатка. Функциональное «созревание» фоторецепторного аппарата происходит и после рождения. В сетчатке выделяют 10 слоев, три из которых представляют собой уровни расположения последовательно соединенных нейронов.

Слой, в котором расположены первые нейроны зрительного анализатора, граничит с пигментными клетками. Возбуждение, возникшее в фоторецепторных нейронах — палочках и колбочках, передается на второй нейрон — биполярный; в дальнейшем их отростки переключаются на ганглионарные клетки, чьи аксоны и формируют зрительный нерв. Таким образом, фоторецепторные клетки — палочки и колбочки, расположенные в наружном ядерном слое, являются видоизмененными нейронами, интегрированными в сложную нейронную сеть сетчатки, и, как свойственно подавляющему большинству нейронов, камбиальные элементы для клеточной регенерации сетчатки практически отсутствуют.

Еще в 20-х годах прошлого века исследователи предпринимали попытки трансплантации фоторецепторного аппарата (у земноводных]. Первая успешная пересадка сетчатки млекопитающего датируется 1959 годом, когда были трансплантированы части сетчатки. Будучи помещенными
в глазные среды, они не погибали сразу, но и не интегрировались в сетчатку реципиента [1 ].

В дальнейшем реципиентам пересаживали нейроблас-ты — предшественники палочек и колбочек, полученные из фетального материала. Предпринимались попытки осуществлять трансплантации после этапа культивирования in vitro; трансплантировались фоторецепторы взрослых особей, однако результаты этих исследований были весьма противоречивы и не получили существенного дальнейшего развития [2, 3]. Одним из критериев успешной трансплантации является формирование синаптических связей между фоторецепторами и нейронами реципиента, чего удавалось добиться лишь в единичных случаях [4, 5]. Однако, настоящих успехов удалось добиться только исследовательской группе R. MacLaren и R.R. Ali, о чем сообщил журнал Nature 9 ноября 2006 г.

Исследователи из Британии считают, что пересаживать следует не ранние предшественники палочек и колбочек, а постмитотические прекурсоры — на стадии начала образования межклеточных синаптических связей. В ходе эксперимента, выполненного на мышах, страдающих генетическим дефектом — дегенерацией сетчатки, показано, что пересаженные клетки, полученные от трансгенных (GFP+, CFP+) реципиентов на сроках от 1 до 15 дня постнатальной жизни, способны колонизировать сетчатку в пределах наружного ядерного слоя и дифференцироваться в фоторецепторы. Наибольший успех был достигнут с применением клеток, полученных от мышат в возрасте 3-5 дней. Реципиентам инъецировали от 300 до 1000 клеток в субретинальный слой. Пересаженные клетки дифференцировались в морфологически идентифицируемые палочки и колбочки. Они формировали функционирующие синаптические связи с биполярными клетками, что было доказано возникновением и проведением электрических потенциалов в ответ на освещение и поведением ранее слепых мышей.

Вероятность слияния пересаженных клеток с фоторецепторами реципиента была сведена к минимуму посредством пересадки GFP+ клеток CFP+ реципиентам. При конфокальной микроскопии кофлюоресценция не была обнаружена ни в одном из наблюдений. Кроме того, ядра пересаженных клеток были маркированы BrdU, что также подтвердило донорское происхождение сформированных фоторецепторных клеток в сетчатке реципиента. Показано, что клетки, полученные от животных в возрасте до 3-х дней, еще способны делиться, позже они мигрируют в область наружного ядерного слоя.

Авторы указывают, что установленные на мышах закономерности лишь открывают перспективы для дальнейших исследований в области лечения заболеваний сетчатки у человека. По степени морфо-функциональной зрелости предшественники фоторецепторов 3-5 дня жизни у мышей соответствуют таковым у человека во втором триместре внутриутробной жизни. По понятным причинам данный клеточный материал не может рассматриваться как перспективный для пересадок. Вместе с тем, сотрудники той же исследовательской группы показали, что прогрессивное
развитие постмитотических предшественников палочек и колбочек ассоциировано с началом функционирования транскрипционного фактора Nlr. Пересаженные клетки, находящиеся на этой стадии развития, характеризовались лучшим приживлением и дифференцировкой в фоторецепторы. Активацию данного фактора наблюдали и в культуре эмбриональных стволовых клеток человека. Вероятно, ЭСКч отобранные на стадии активации данного фактора, способны к прогрессивной дифференцировке в фоторецепторные клетки сетчатки, что, по мнению исследователей, приведет в ближайшие 5 лет к созданию клеточной биотехнологии лечения патологии сетчатки у человека.

Что такое Фоторецепторы

Фоторецепторами называют сенсорные светочувствительные нейроны сетчатой
оболочки глаза. Они содержатся в зернистом внешнем слое сетчатки. Их характерной
особенностью является гиперполяризация (а не деполяризация, как в случае с
другими нейронами) в ответ на сигнал, адекватный этим рецепторам — свет.
Размещение фоторецепторов в сетчатой оболочке очень плотное – гексагональная
упаковка(в форме шестиугольников)

Классификация фоторецепторов

В человеческом глазу к
фоторецепторам относятся три типа колбочек (каждый вид возбуждается в ответ на
определенную длину световых волн), отвечающих за цветное зрение, и лишь 1-н вид
палочек отвечает за сумеречное зрение. Общее количество палочек в сетчатке глаза
человека — 110 ÷ 125 млн, а колбочек — 4 ÷ 7 млн.

Строение палочек и колбочек сходно между собой, они состоят из 4-х участков:

1. Наружный сегмент – участок, на котором происходит преобразование световой
энергии в рецепторный потенциал. Заполнен этот сегмент мембранными дисками,
которые образует плазматическая мембрана. Во всех наружных сегментах палочек
содержится 600-1000 дисков, представляющих собою уплощенные мембранные мешочки,
которые уложены подобно столбику монет. Мембранных дисков в колбочках меньше,
это складки плазматической мембраны.

2. Перетяжка – место почти полного отделения наружного сегмента от
внутреннего путем выпячивания наружной мембраны. Два сегмента между собою
связывает цитоплазма и пара ресничек, которые переходят из 1-го сегмента во
2-ой.

3. Внутренний сегмент – сфера интенсивного метаболизма, которую заполняют
митохондрии, доставляющие энергию для зрительных процессов, и полирибосомы, на
которых происходит синтез белков, принимающие участие в формировании мембранных
дисков, а также зрительного пигмента. Тут располагается и ядро.

4. Синаптическая область – место образование синапсов с биполярными клетками.
Биполярные диффузные клетки способны образовывать синапсы с некоторыми
палочками. Данное явление носит название синаптической конвергенции, уменьшая
четкость зрения, повышая, при этом светочувствительность глаз.

Биполярные моносинаптические клетки служат связующим звеном между колбочками
и ганглиозными клетками, что способствует обеспечению лучшей по сравнению с
палочками остроты зрения. Горизонтальные и амакриновые клетки соединяют между
собой определенное количество палочек или колбочек. За счет них зрительная
информация еще до момента выхода из сетчатой оболочки подвергается своего рода
переработке. Данные клетки также принимают участи в латеральном торможении.

Количество палочек в сетчатке превышает количество колбочек — 120 млн против
6 — 7 млн соответственно. Вытянутые тонкие палочки, размер которых 50х3 мкм
распределены равномерно по всей сетчатой оболочке, кроме центральной ямки, в
которой преобладают удлиненные конические колбочки, размер которых 60х1,5 мкм.

Поскольку в центральной ямке колбочки упакованы очень плотно ( тыс. на
кв.мм), острота зрения здесь максимальная. Чувствительность палочек к свету
выше, они способны реагировать на более слабое освещение. В состав палочек
входить лишь один зрительный пигмент, потому они не способны различать цвета и
подходят больше для ночного зрения.

В состав колбочек входят целых три зрительных пигмента, благодаря чему можно
распознавать цвета, их используют, в основном при дневном свете. Острота
палочкового зрения меньше, поскольку расположены палочки не так плотно и
поступающие от них сигналы подвергаются конвергенции, но как раз за счет этого и
обеспечивается высокая чувствительность, которая нужна для зрения в темноте.

В палочках содержится светочувствительный пигмент под названием родопсин.

Ряд глазных заболеваний можно будет вылечить, используя действие клеток Мюллера

Ряд глазных заболеваний можно вылечить, используя тот факт, что нормальную работу «колбочек» — фоторецепторов сетчатки глаза — обеспечивают клетки Мюллера. К такому выводу пришли ученые Вашингтонского университета.

close

100%

Человеческий глаз по своей сути является уникальным оптическим прибором невероятно сложной структуры, который сформировался в ходе эволюции, продолжавшейся миллионы лет. Человек, который не имеет проблем со зрением, придя со светлой улицы в довольно темное помещение, через несколько минут уже может вполне свободно ориентироваться в нем. Так и наоборот — оказавшись после темноты в ярко освещенном месте, глаз спустя небольшой промежуток времени позволяет человеку чувствовать себя вполне комфортно. Восприятие электромагнитного излучения в видимой области спектра, в том числе и способность различать цвета, обеспечивается сетчаткой. Эта часть глаза представляет собой его внутреннюю оболочку, которая содержит пигментный эпителий, фоторецепторные клетки (известные каждому со школы палочки и колбочки) и ряд нервных клеток.

Палочки более чувствительны к свету и сконцентрированы к краям сетчатки, что определяет их участие в ночном и периферийном зрении. Колбочки, которые получили свое название из-за конической формы, в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки, но гораздо лучше воспринимают быстрые движения. Кроме того, различают три вида колбочек, по чувствительности к разным длинам волн оптической части спектра (фиолетово-синей, зелено-желтой и желто-красной), и именно наличие этих трех видов колбочек (плюс палочек, чувствительных в изумрудно-зеленой части спектра) даёт человеку цветное зрение.

Наибольшее скопление колбочек в сетчатке человека находится в центральной ямке, так называемой макуле, или «желтом пятне», находящейся на оптической оси глаза, что обеспечивает остроту зрения.

Палочки и колбочки

Палочки — один из двух типов фоторецепторных клеток сетчатки глаза, названый так за свою цилиндрическую форму. Палочки более чувствительны к свету и, в человеческом глазе, сконцентрированы к краям сетчатки, что определяет их участие…

Принцип работы этих палочек и колбочек заключается в том, что под действием света в клетках продуцируются специальные пигменты, то есть происходит фотохимическая реакция с преобразованием энергии фотона в энергию соединений нервной ткани. Важную роль в химической составляющей процесса зрительного восприятия человека играет пигментный эпителий, который, принимая фотоны света, взаимодействует с палочками и колбочками, генерируя специальный белок, выполняющий транспортную функцию, а также играет роль в регенерации важных химических веществ, участвующих во всем процессе в целом. Так в темноте палочки и колбочки восстанавливают свою способность производить пигмент, этим обеспечивая зрение человеку на протяжении всей жизни.

Палочки и колбочки

Палочки — один из двух типов фоторецепторных клеток сетчатки глаза, названый так за свою цилиндрическую форму. Палочки более чувствительны к свету и, в человеческом глазе, сконцентрированы к краям сетчатки, что определяет их участие…

Но по-прежнему многое в процессе зрительного восприятия остается непонятным для человека. Вследствие травм, болезней или просто из-за солидного возраста люди часто страдают глазными болезнями, и врачи, увы, не всегда могут помочь им. Группа ученых из Медицинской школы Вашингтонского университета во главе с уроженцем Болгарии Владимиром Кефаловым в ходе своих исследований чуть больше узнала о работе фоторецепторов и сетчатки. Ученые получили результаты, которые в дальнейшем могут быть использованы при лечении глазных болезней, в частности макулодистрофии. Это заболевание, которое еще называется «возрастная дегенерация сетчатки», развивается у людей после 50 лет и является одной из самых распространенных причин слепоты в пожилом возрасте.

Макулодистрофия вызывает разрушение «желтого пятна», то есть колбочки перестают выполнять свою функцию — реагировать на свет.

Подробнее о работе Кефалова и его коллег можно ознакомиться в статье из журнала Current Biology.

Свою работу ученые продолжают уже не первый год. В феврале нынешнего года эта же группа в журнале Nature Neuroscience опубликовала свое исследование по изучению работы сетчатки глаза саламандры, в которой содержится большое количество колбочек. Кефалов и коллеги убрали из сетчатки пигментный эпителий и направили на нее яркий свет. Оказалось, что палочки после этого потеряли свою способность восстанавливать производство пигмента, то есть, по сути, «перегорели».

Колбочки же, несмотря на отсутствие пигментного эпителия, смогли восстановить свои функции.

В новом исследовании подобная работа была проведена на сетчатке глаза мышей и дала такие же результаты: в отсутствие пигментного эпителия после яркого света палочки «перегорали», а колбочки продолжали функционировать нормально.

В последнее время в мировых журналах были опубликованы несколько работ, которые посвящены роли глиальных клеток Мюллера (получивших свое название в честь выдающегося немецкого естествоиспытателя Иоганнеса Мюллера), которые выполняют вспомогательную функцию для обычных нейронов. Так в ноябре минувшего года «Газета.Ru» писала о работе ученых из британской Лаборатории Тома Реха из того же Вашингтонского университета, где рассказывалось, что клетки Мюллера могут помочь бороться со слепотой, будучи способными к делению и превращению в другие типы клеток. Этот вопрос затронули и Кефалов с коллегами.

Они изучили влияние клеток Мюллера на восстановление функции колбочек.

Оказалось, что если заставить сетчатку взаимодействовать со специальным химическим раствором, блокирующим действие клеток Мюллера, то после восприятия яркого света в отсутствии пигментного эпителия колбочки также «перегорают». А вот нормальная работа клеток Мюллера способствует и нормальной работе колбочек, независимо от наличия пигментного эпителия.

Авторы утверждают, что установленный ими факт в ближайшем будущем поможет выработать технологию лечения случаев нарушения зрения, когда в результате травм или других причин поврежден пигментный эпителий, в частности поможет в лечении макулодистрофии.

Зрение человека впервые восстановлено с помощью оптогенетики

Медикам впервые удалось частично восстановить зрение пациента с помощью оптогенетической терапии. Ранее этот метод успешно применялся лишь на животных.

Оптогенетика – довольно молодой метод, позволяющий управлять нейронами с помощью светочувствительных белков. Столь успешное применение оптогенетической терапии является крупным прорывом в восстановительной медицине.

Исследование, опубликованное в издании Nature Medicine, описывает прогресс в лечении пациента из Парижа, у которого 40 лет назад диагностировали пигментный ретинит. Это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, уничтожающее светочувствительные клетки в сетчатке и приводящее к слепоте. Причиной пигментного ретинита являются мутации в 71 гене, поэтому крайне трудно разработать генную терапию, которая бы успешно «починила» все нарушенные белковые связи.

Поэтому исследователи подошли к лечению этого заболевания с совсем другой стороны. Вместо того, чтобы поочерёдно чинить каждый повреждённый ген в фоторецепторах, которые передают сигнал нервным клеткам, учёные приняли решение непосредственно активировать сами нервные клетки. Именно в этом им и пригодились инструменты оптогенетики.

Исследователи ввели в глаз пациента инъекцию, содержавшую вектор аденоассоциированного вируса (его нередко используют в генной терапии). Этот безобидный вирус использовался для доставки светочувствительных белков в клетки сетчатки. Эти белки реагируют на свет тем, что меняют свою форму и позволяют потоку ионов проходить сквозь клетку.

Однако эти белки чувствительны лишь к свету с определённой длиной волны. Чтобы скорректировать попадающие на сетчатку лучи света, исследователи использовали специальные очки. Они трансформируют свет, отражающийся от предметов, почти как проектор, передающий картинку на экран в кинотеатре.

В ходе эксперимента пациент распознавал предметы, стоявшие перед ним на столе.

С помощью генной терапии и этих очков пациент смог впервые за долгие годы разглядеть реальные объекты, правда, в специальных экспериментальных условиях. Исследователи параллельно считывали активность нейронов пациента с помощью ЭЭГ. Таким образом они убедились, что оптогенетическая терапия сетчатки действительно позволила активировать первичную зрительную кору мозга. Именно в неё попадает сигнал от сетчатки, то есть этот путь передачи информации был успешно восстановлен.

Период адаптации к новому оборудованию занял несколько месяцев. После этого пациент смог разглядеть (и даже сосчитать) белые полосы на пешеходном переходе и постепенно научился различать всё больше разных объектов за пределами лаборатории.

Конечно же, этот метод восстановления зрения ещё находится на экспериментальной стадии, и немало времени пройдёт, пока он станет доступен широкому кругу пациентов.

Однако в перспективе этот успешный эксперимент открывает дорогу для терапии самых разных неврологических заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Паркинсона.

Напомним, ранее мы писали об успешном испытании генной терапии для лечения врождённой слепоты. Также мы писали о новом биосовместимом материале, который позволяет вырастить новые клетки сетчатки прямо в глазу пациента.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Нейрональный кальциевый сенсор 1 (NCS1) в нормальной и патологической фоторецепторных системах — НИР

Сетчатка

Сетчатка является внутренней чувствительной оболочкой глаза, которая выстилает полость глазного яблока изнутри и выполняет функции восприятия световых и цветовых сигналов, их первичной обработки и трансформации в нервное возбуждение.

В сетчатке выделяют две функционально различные части – зрительную (оптическую) и слепую (ресничную). Зрительная часть сетчатой оболочки глаза – это большая часть сетчатки, которая свободно прилегает к сосудистой оболочке и прикрепляется к подлежащим тканям только в области диска зрительного нерва и у зубчатой линии. Свободнолежащая часть сетчатки, непосредственно соприкасающаяся с сосудистой оболочкой, удерживается за счет давления, создаваемого стекловидным телом, а также за счет тонких связей пигментного эпителия. Ресничная часть сетчатки покрывает заднюю поверхность ресничного тела и радужки, доходя до зрачкового края.

Наружная часть сетчатки называется пигментной, внутренняя – светочувствительной (нервной) частью. Сетчатка состоит из 10 слоев, в состав которых входят разные типы клеток. Сетчатка на срезе представлена в виде трех радиально расположенных нейронов (нервных клеток): наружного – фоторецепторного, среднего – ассоциативного, и внутреннего – ганглионарного. Между этими нейронами располагаются т. н. плексиформные (от лат. plexus — сплетение) слои сетчатой оболочки, представленные отростками нервных клеток (фоторецепторов, биполярных и ганглиозных нейронов), аксонами и дендритами. Аксоны проводят нервный импульс от тела данной нервной клетки к другим нейронам или иннервируемым органам и тканям, дендриты же проводят нервные импульсы в обратном направлении — к телу нервной клетки. Помимо этого в сетчатке расположены интернейроны, представленные амакриновыми и горизонтальными клетками.

Слои сетчатки

Сетчатка имеет 10 слоев:

1. Первый слой сетчатки – это пигментный эпителий, который прилежит непосредственно к мембране Бруха сосудистой оболочки глаза. Его клетки окружают фоторецепторы (колбочки и палочки), частично заходя между ними в виде пальцевидных выпячиваний, благодаря чему площадь контакта между слоями увеличивается. Под действием света включения пигмента перемещаются из тела пигментных клеток к их отросткам, что предотвращает рассеивание света между соседними фоторецепторными клетками (колбочками или палочками). Клетки этого слоя фагоцитируют отторгающиеся сегменты фоторецепторов, а также обеспечивают доставку кислорода, солей, метаболитов от хориоидеи к фоторецепторам и в обратном направлении, тем самым регулируя баланс электролитов в сетчатке и определяя ее биоэлектрическую активность и степень антиоксидантной защиты. Клетки пигментного эпителия удаляют жидкость из субретинального пространства, способствуют максимально плотному прилеганию зрительной сетчатки к сосудистой оболочке глаза, принимают участия в процессах рубцевания при заживлении очага воспаления.

2. Второй слой сетчатки представлен наружными сегментами светочувствительных клеток, колбочек и палочек – специализированных высокодифференцированных нервных клеток. Колбочки и палочки имеют цилиндрическую форму, в которой различают наружный сегмент, внутренний сегмент, а также пресинаптическое окончание, к которому подходят нервные отростки (дендриты) горизонтальных и биполярных клеток. Строение палочек и колбочек различно: наружный сегмент палочек представлен в виде тонкого палочкоподобного цилиндра, содержащего зрительный пигмент родопсин, в то время как наружный сегмент колбочек конически расширен, он короче и толще, чем у палочек, и содержит зрительный пигмент иодопсин.

Наружный сегмент фоторецепторов имеет важное значение: именно здесь происходят сложные фотохимические процессы, в ходе которых происходит первичная трансформация энергии света в физиологическое возбуждение. Функциональное назначение колбочек и палочек также различно: колбочки отвечают за цветоощущение и центральное зрение, обеспечивают периферическое зрение в условиях высокой освещенности; палочки обеспечивают зрение в условиях низкой освещенности (сумеречное зрение). В темноте периферическое зрение обеспечивается совместными усилиями колбочек и палочек.

3. Третий слой сетчатки представлен наружной пограничной мембраной, или окончатой мембраной Верхофа, это так называемая полоса межклеточных сцеплений. Сквозь эту мембрану в субретинальное пространство проходят наружные сегменты колбочек и палочек.

4. Четвертый слой сетчатки называется наружным ядерным слоем, поскольку образован ядрами колбочек и палочек.

5. Пятый слой – наружный плексиформный слой, его также называют сетчатым слоем, он отделяет наружный ядерный слой от внутреннего.

6. Шестой слой сетчатой оболочки – это внутренний ядерный слой, он представлен ядрами нейронов второго порядка (биполярных клеток), а также ядрами горизонтальных, амакриновых и мюллеровских клеток.

7. Седьмой слой сетчатки – внутренний плексиформный слой, он состоит из клубка переплетенных отростков нервных клеток и отделяет внутренний ядерный слой от слоя ганглиозных клеток. Седьмой слой разделяет внутреннюю сосудистую часть сетчатой оболочки и наружную бессосудистую, которая всецело зависит от поступления кислорода и питательных веществ из прилежащей сосудистой оболочки.

8. Восьмой слой сетчатки образован нейронами второго порядка (ганглиозными клетками), по направлению от центральной ямки к периферии его толщина отчетливо уменьшается: непосредственно в области вокруг ямки данный слой представлен как минимум пятью рядами ганглиозных клеток, к периферии число рядов нейронов постепенно уменьшается.

9. Девятый слой сетчатки представлен аксонами ганглиозных клеток (нейронов второго порядка), которые образуют зрительный нерв.

10. Десятый слой сетчатки – последний, он покрывает поверхность сетчатой оболочки изнутри и представляет собой внутреннюю пограничную мембрану. Это основная мембрана сетчатки, образованная основаниями нервных отростков клеток Мюллера (нейроглиальных клеток).

Клетки Мюллера представляют собой гигантские высокоспециализированные, которые проходят чрез все слои сетчатой оболочки, выполняя изолирующую и опорную функции. Клетки Мюллера принимают участие в генерировании биоэлектрических электрических импульсов, активно транспортируя метаболиты. Мюллеровские клетки заполняют узкие щели между нервными клетками сетчатки и разделяют их рецептивные поверхности.

Палочковый путь проведения нервного импульса представлен палочковым фоторецептором, биполярными и ганглиозными клетками, амакриновыми клетками нескольких видов (промежуточными нейронами). Палочковые фоторецепторы контактируют только с биполярными клетками, которые под действием света деполяризуются.

Колбочковый путь проведения нервных импульсов характеризуется тем, что уже в пятом слое (наружный плексиформный слой) синапсы колбочек связывают их с биполярными нейронами различных типов, образуя как световой, так и темновой путь проведения импульса. Благодаря этому колбочки макулярной области формируют каналы контрастной чувствительности. По мере удаления от области макулы количество фоторецепторов, соединенных с множеством биполярных клеток, уменьшается, в то же время число биполярных нейронов, соединенных с одной биполярной клеткой, увеличивается.

Световой импульс активирует превращение зрительного пигмента, запуская возникновение рецепторного потенциала, который распространяется вдоль аксона к синапсу, где вызывает выделение нейромедиатора. Этот процесс приводит к возбуждению нейронов сетчатки, которые осуществляют первичную обработку зрительной информации. Далее эта информация предается по зрительному нерву в зрительные центры головного мозга.

В процессе передачи нервного возбуждения по нейронам сетчатки важное значение имеют соединения из группы эндогенных трансмиттеров, к которым относятся аспартат (специфичен для палочек), глутамат, ацетилхолин (является трансмиттером амакриновых клеток), допамин, мелатонин (синтезируется в фоторецепторах), глицин, серотонин. Ацетилхолин является трансмиттером возбуждения, а гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) – торможения, оба эти соединения содержатся в амакриновых клетках. Тонкий баланс указанных веществ обеспечивает функционирование сетчатки, а нарушение такового может приводить к развитию различных патологий сетчатки (пигментный ретинит, лекарственная ретинопатия и т.п.)

ОРГАНЫ ЧУВСТВ — ГИСТОЛОГИЯ — УХО — ОРГАН СЛУХА — ГЛАЗ — ОРГАНЫ РАВНОВЕСИЯ — ОРГАН ОБОНЯНИЯ — ВКУСОВЫЕ ЛУКОВИЦЫ



ОРГАНЫ ЧУВСТВ — ГИСТОЛОГИЯ — УХО — ОРГАН СЛУХА — ГЛАЗ — ОРГАНЫ РАВНОВЕСИЯ — ОРГАН ОБОНЯНИЯ — ВКУСОВЫЕ ЛУКОВИЦЫ — ОРГАНЫ ОСЯЗАНИЯ

ГИСТОЛОГИЯ В ТАБЛИЦАХ И СХЕМАХ

ОРГАНЫ ЧУВСТВ

ГЛАЗ

ГЛАЗ — состоит из нескольких оболочек:

• (снаружи) склера, на переднем полюсе вместо склеры — роговица
• сосудистая оболочка, специальными связками к одной из частей сосудистой оболочки прикрепляется хрусталик
• сетчатка
• стекловидное тело

СКЛЕРА плотная волокнистая оформленная соединительная ткань

РОГОВИЦА состоит из 5 слоев:

1. (снаружи) передний эпителий (многослойный плоский неороговевающий)
2. передняя пограничная мембрана (Боуменова мембрана)
3. собственное вещество роговицы
4. задняя пограничная мембрана (Десцеметова мембрана)
5. задний эпителий (однослойный плоский)

в роговице нет сосудов, много свободных нервных окончаний

ХРУСТАЛИК представляет собой двояковыпуклую линзу, состоит из следующих образований:

• передний эпителий (однослойный плоский)
• хрусталиковые волокна (вытянутые остатки клеток хрусталика, полностью
  пропитанные белком кристаллином
• тончайшая соединительнотканная капсула
• клетки переднего эпителия делятся в области экватора, затем перестают
  делиться, вытягиваются, синтезируют белок кристаллин, который полностью
  пропитывает клетку (хрусталиковое волокно)
• в хрусталике нет сосудов
• хрусталик лишен сферической и хроматической аберраций
• хрусталик обладает упругостью и под действием внешних сил может изменять свою кривизну

СТЕКЛОВИДНОЕ ТЕЛО — вязкая желеобразная жидкость, состоит из белка витреина и гликозаминогликана — гиалуроновой кислоты

СОСУДИСТАЯ ОБОЛОЧКА состоит из собственно сосудистой оболочки, радужной оболочки и реснитчатого тела

собственно сосудистая оболочка

• надсосудистая пластинка
• сосудистая пластинка
• хориокапиллярная пластинка
• базальная пластинка

радужная оболочка

• передний эпителий (однослойный плоский)
• наружный пограничный слой
• сосудистый слой — содержит сосуды, соединительную ткань и мышцы суживающую и расширяющую зрачок
• внутренний пограничный слой
• пигментный слой

реснитчатое тело (цилиарное тело)

• цилиарная корона — в цилиарной короне и цилиарном кольце располагается цилиарная мышца
• цилиарное кольцо
• цилиарные отростки — покрыты двухслойным эпителием; внутренний слой
  клеток без пигмента, наружный — содержит много пигмента; к цилиарным
  отросткам прикрепляется связка хрусталика (циннова связка)

СЕТЧАТКА

состоит из 8 слоев, в каждом их которых располагаются определенные
клетки и их отростки:

НЕЙРОНЫ СЕТЧАТКИ:

• фоторецепторные клетки — палочки и колбочки
• ассоциативные нейроны — биполярные нейроны, амакриновые нейроны, горизонтальные нейроны
• ганглиозные нейроны

КАМЕРЫ ГЛАЗА — передняя и задняя

• ПЕРЕДНЯЯ КАМЕРА ГЛАЗА имеет следующие границы:
  передняя — задняя поверхность роговицы
  задняя — передняя поверхность радужной оболочки
• ЗАДНЯЯ КАМЕРА ГЛАЗА имеет следующие границы:
  передняя — задняя поверхность радужной оболочки
  задняя — передняя поверхность хрусталика и связка хрусталика
• камеры сообщаются между собой через зрачок
• в камерах находится внутрикамерная жидкость, которая вырабатывается
  отростками цилиарного тела, а оттекает в венозный синус, находящийся в
  передней камере глаза в области соединения роговицы и склеры

АККОМОДАЦИЯ — приспосабливание глаза для рассматривания предметов вблизи и вдали,
при этом происходит изменение кривизны хрусталика

• при сокращении цилиарной мышцы связка хрусталика расслабляется
  и хрусталик вследствие своей упругости становится более выпуклым (смотрим вблизи)
• при расслаблении цилиарной мышцы связка хрусталика натягивается
  и хрусталик становится более плоским (смотрим вдаль)
• при слабой освещенности зрачок расширяется за счет сокращения мышцы, расширяющей зрачок, и расслабления мышцы, суживающей зрачок; при высокой освещенности — все наоборот

© A Gunin; [email protected]

МОЗГ СОВЕРШЕННО ВНИЗ

Каждый
нейронов в различных
слои сетчатки «покрывают» область
в вашем поле зрения. Эта область в космосе, где
наличие соответствующего стимула изменит
активность этого нейрона называется рецептивной
поле этого нейрона.

Рецептивное поле одиночной фоторецепторной клетки, для
Например, можно сказать, что он ограничен крошечным пятном
свет в пределах вашего поля зрения, который соответствует
к точному местоположению этого фоторецептора на вашей сетчатке.Но в каждом последующем слое сетчатки рецептивный
поля становятся все более сложными, и они становятся даже
более сложный, когда речь идет о нейронах зрительного
кора.

Вот пример такой сложности. Восприимчивый
поля биполярных клеток имеют округлую форму. Но центр
и окружающая область каждого круга работают противоположно
пути: луч света, попадающий в центр поля
имеет эффект, противоположный тому, который попадает в область
окружающий его (известный как «окружение»).

На самом деле существует два типа биполярных клеток, различающих
кстати, они реагируют на свет в центрах своего
рецептивные поля. Они называются ячейками ON-центра и
Нецентральные ячейки.

Если световой раздражитель приложен к центру биполярного
рецептивное поле клеток имеет возбуждающее
воздействие на эту клетку, в результате чего она становится деполяризованной,
это ячейка ON-center.Луч света, который падает
только на окружении, однако, будет противоположное
действие на такую ​​клетку, тормозящее (гиперполяризующее)
Это.

Другой вид биполярных ячеек, внецентровых ячеек,
отображать в точности обратное поведение: свет на
центр поля имеет тормозной (гиперполяризующий)
эффект, в то время как свет вокруг имеет возбуждающий
(деполяризующий) эффект.

Реконструкция сетчатки

Необычная проводка

Сетчатка представляет собой тонкий слой светочувствительной ткани в задней части глаза. Эта сложная структура необходима для зрения.

Клеточная схема

В сетчатке пять типов нейронов — фоторецепторы, биполярные клетки, ганглиозные клетки сетчатки, горизонтальные клетки и амакриновые клетки — соединены вместе, образуя одну из самых сложных печатных плат в природе. Когда свет попадает на сетчатку, он стимулирует фоторецепторы, создавая электрический сигнал, который передается через другие нейроны сетчатки к зрительному нерву, а затем в мозг.

Кредит: Алисдер Макдональд

1. Фоторецепторы В глазу есть два основных типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки обеспечивают зрение при плохом освещении, а колбочки отвечают за цветовое зрение. Фоторецепторы преобразуют свет в электрические сигналы, которые проходят через другие нейроны сетчатки и достигают зрительного нерва.

2. Биполярная ячейка Отвечает за передачу сигналов от фоторецепторов к ганглиозной ячейке сетчатки.

3. Ганглиозная клетка сетчатки Передает сигналы от биполярных и амакриновых клеток в мозг через длинные выступы, называемые аксонами, которые образуют зрительный нерв.

4. Горизонтальная ячейка Регулирует сигнал, исходящий от нескольких стержней и колбочек.

5. Амакринная клетка Охватывает несколько биполярных клеток для регулирования сигналов, направленных на ганглиозные клетки сетчатки. На данный момент идентифицировано около 30 подтипов.

6. Пигментный эпителий сетчатки (ППЭ) Слой эпителиальных клеток, расположенный под фоторецепторами.Он образует барьер для кровеносных сосудов в сосудистой оболочке и удаляет вредные вещества, которые выделяются фоторецепторами в ответ на свет.

Распространенный недостаток

Дегенеративные заболевания сетчатки поражают сотни миллионов людей во всем мире. Наиболее частым из таких состояний является возрастная дегенерация желтого пятна (AMD).

Кредит: Алисдер Макдональд

1. AMD вызывается накоплением жировых отложений, известных как drusen, между RPE и сосудистой оболочкой.Причина неясна, но считается, что побочные продукты фоторецепторов вносят свой вклад.

2. Эти отложения постепенно увеличиваются в размерах и количестве, что приводит к все более искаженному зрению.

3. При поздней стадии AMD нарушается RPE, что приводит к гибели фоторецепторов и потере центрального зрения.

4. В 10–15% случаев развивается форма, известная как влажная AMD ¹ , при которой кровеносные сосуды проникают в сетчатку и пропускают жидкость, что приводит к быстрому ухудшению зрения.

Контроль повреждений

Не было одобрено лечение ранней стадии AMD, но препараты, ингибирующие образование кровеносных сосудов, могут замедлить прогрессирование влажной AMD.

Fresh eyes

За последнее десятилетие усовершенствования методов культивирования или дифференциации стволовых клеток увеличили возможность использования методов лечения стволовыми клетками для лечения дегенеративных заболеваний сетчатки, таких как AMD.

Стволовые клетки могут быть получены из эмбриона на стадии бластоцисты.В качестве альтернативы взрослые клетки, такие как фибробласты, можно перепрограммировать, чтобы они вели себя как стволовые клетки.

Кредит: Алисдер Макдональд

Такие стволовые клетки обладают потенциалом к ​​неограниченному делению и могут дать начало клеткам любого типа, которые необходимы для регенерации сетчатки.

Кредит: Алисдер Макдональд

При продвинутой AMD дисфункция RPE является основной причиной ухудшения зрения. В настоящее время проводятся клинические испытания по замене поврежденного РПЭ здоровыми пигментными эпителиальными клетками сетчатки, выращенными из стволовых клеток.

На данный момент исследователи протестировали два способа доставки свежих пигментных эпителиальных клеток к поврежденной сетчатке.

Кредит: Алисдер Макдональд

A , Суспензия пигментных эпителиальных клеток сетчатки, полученных из стволовых клеток, вводится в искаженное пространство над сосудистой оболочкой. Первоначальные испытания на людях показали, что этот подход безопасен.

Однако неясно, выживут ли клетки, доставленные в суспензии, в достаточном количестве для регенерации и правильного функционирования РПЭ.

B , Лист пигментных эпителиальных клеток сетчатки толщиной в одну клетку поверх тонкого полиэфирного или коллагенового каркаса хирургическим путем имплантируется в заднюю часть глаза.

Имплантация клеток в виде листа устраняет необходимость прилипания к мембране Бруха. Клинические испытания показали, что процедура безопасна, и некоторые реципиенты сообщили об улучшении зрения.

Кредит: Алисдер Макдональд

Глаза вперед

Помимо усилий по созданию клеток сетчатки из стволовых клеток, исследователи быстро продвигаются к выращиванию целой сетчатки.По мере того, как такие модели становятся более сложными, отражая не только ряд типов клеток, но также их организацию и функции в глазу, эти мини-сетчатки окажутся неоценимыми для моделирования заболеваний и тестирования лекарств.

2011 Эмбриональные стволовые клетки мыши демонстрируют самоорганизацию в трехмерную структуру, состоящую из слоев клеток сетчатки, которые похожи на таковые в развивающейся сетчатке. ³ .

2012 Показано, что стволовые клетки человека, полученные из эмбрионов, собираются в примитивные мини-сетчатки ⁴ .Полученные структуры больше и содержат больше колбочек, чем те, что были получены из клеток мыши в 2011 году.

2014 Созданы человеческие мини-сетчатки, содержащие все основные типы клеток сетчатки с правильным расположением слоев ⁵ . Хотя фоторецепторы еще не созрели, некоторые слабо реагируют на свет.

2016 В мини-сетчатках воссозданы наследственные болезни Врожденный амавроз Лебера ⁶ и пигментный ретинит ⁷ . Модели позволяют по-новому взглянуть на эти состояния сетчатки.

2017 В апреле исследователи создают относительно зрелые мини-сетчатки ⁸ . Слои клеток хорошо организованы, а фоторецепторы развиты на высоком уровне и способны формировать функциональные синапсы.

В августе Национальный центр улучшения замещения и сокращения животных в исследованиях Великобритании присуждает компании NewCells Biotech в Ньюкасле, Великобритания, 1 миллион фунтов стерлингов (1,27 миллиона долларов США) на разработку мини-сетчатки для использования при скрининге лекарств.

2018 Национальный институт глаз США запускает конкурсный фонд в размере 1 млн долларов США для развития мини-сетчатки.

Самовосстановление

Сетчатка человека содержит популяцию спящих стволовых клеток. У некоторых животных, включая рыбок данио, аналогичная популяция стволовых клеток активируется в ответ на травму и может регенерировать все типы клеток сетчатки для восстановления зрения. По мере того как исследователи начинают лучше понимать процесс восстановления, мини-сетчатка должна позволить им исследовать, можно ли уговорить человеческий глаз снова отрастить ткань сетчатки.

Кредит: Алисдер Макдональд

Фоторецепторы — обзор | Темы ScienceDirect

15.2.2 Устойчивый динамический диапазон

Наука о зрении исследовала SSDR HVS с помощью экспериментов со вспышками, отношения сигнал-шум фоторецепторов и оценки обесцвечивания, а также исследований психофизических исследований (Baylor et al., 1974; Davson, 1990; Kunkel). и Рейнхард, 2010; Валетон и ван Норрен, 1983). Термин «устойчивое состояние» определяет очень короткий временной интервал, который обычно намного меньше 500 мс, потому что есть некоторые относительно быстрые компоненты световой адаптации.

Самое раннее воздействие на SSDR вызвано оптическими свойствами глаза: до того, как свет преобразуется в нервные импульсы фоторецепторами сетчатки и, в частности, ямкой, он попадает в HVS на роговице, а затем продолжает переноситься через несколько оптических элементов глаза, таких как водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело.Это связано с изменением показателей преломления и пропускания, что, в свою очередь, приводит к процессам поглощения и рассеяния (Hubel, 1995; Wandell, 1995).

На уровне фоторецепторов нелинейная функция отклика колбочек может быть описана уравнением Нака-Раштона (Naka and Rushton, 1966; Peirce, 2007), которое было разработано на основе измерений на сетчатке рыб. Это, в свою очередь, было смоделировано на основе уравнения Михаэлиса-Ментен (Michaelis and Menten, 1913) для кинетики ферментов, что привело к сигмоидальной функции ответа для фоторецепторов, которая может быть описана как

VVmax = LnLn + σn ,

, где V — характеристика сигнала, Vmax — максимальная характеристика сигнала, L — входная яркость, σ — константа полунасыщения, а показатель степени n влияет на крутизну наклона сигмоидального сигнала. функция. ⁶ Позже было обнаружено, что он также описывает поведение многих других фоторецепторов животных, в том числе обезьян и людей. Более поздняя работа (Normann and Baxter, 1983) разработала параметр σ в знаменателе на основе функции рассеяния точки глаза и движений глаз и использовала модель для соответствия результатам различных психофизических экспериментов по обнаружению дисков. Одним из следствий стало более глубокое понимание того, что состояние световой адаптации варьируется локально на сетчатке, хотя и ниже разрешения массива колбочек.

Было обнаружено, что SSDR составляет от 3 до 4 Ом в экспериментах по обнаружению мерцания и вспышки с использованием дисковых стимулов (Valeton and van Norren, 1983). Использование более тщательного психофизического исследования с использованием решеток Габора, которые считаются наиболее детектируемыми стимулами (Watson et al., 1983), и использование шумового поля 1/ f для интерстимульного интервала, чтобы помочь приспособиться к экрану дисплея. поверхность, а также статистика совпадающих изображений, Кункель и Рейнхард (2010) определили SSDR равным 3.6 Ом для стимулов, предъявляемых в течение 200 мс (от начала до смещения). На рис. 15.3 показаны контрольные точки, использованные для определения SSDR, а также изображение стимула и фона. Основное предположение состоит в том, что контраст решетки Габора образует постоянный интервал яркости. Когда этот интервал сдвигается от константы полунасыщения (в сторону более светлого или темного на оси x ), он остается постоянным на логарифмической оси яркости (Δ L ₁ = Δ L ₂ ).Однако относительный интервал отклика конуса (ось y ) уменьшается из-за сигмоидального характера функции, что приводит к Δ V ₁ > Δ V ₂ . Порог динамического диапазона находится в точке, где HVS не может различить изменения амплитуды паттерна Габора.

Рисунок 15.3. Полезная обнаруживаемость особенностей изображения (здесь решетка Габора). (A) Обнаруживаемость на основе реакции конуса; (B) Ахроматическая решетка Габора с фоновой диаграммой направленности 1/ f .Обратите внимание, что контраст решетки увеличен для иллюстрации. После Кункеля и Рейнхарда (2010).

Теперь мы установили, что SSDR определяет типичную нижнюю границу динамического диапазона HVS, в то время как адаптивные процессы могут расширять воспринимаемый динамический диапазон с 10 ⁻⁶ до 10 ⁸ , хотя и не одновременно.

Однако еще один результат эксперимента Кункеля и Рейнхарда (2010) заключается в том, что SSDR также зависит от длительности стимула, что показано на рис.15.4. Самая короткая продолжительность может пониматься как определение физиологического SDDR, а увеличение SSDR (т. Е. Более низкая яркость идет ниже, а более высокая яркость становится выше, что дает увеличенный ощутимый динамический диапазон) с большей продолжительностью указывает на то, что происходит быстрая временная световая адаптация. в зрительной системе.

Рисунок 15.4. Динамический диапазон увеличивается в зависимости от продолжительности отображения стимула. После Кункеля и Рейнхарда (2010).

Иногда SSDR неверно интерпретируется как то, что необходимо для представления одного изображения, но при этом игнорируется тот факт, что сетчатка может иметь различные состояния адаптации (локальная адаптация) в зависимости от положения и, следовательно, как функция от просматриваемая область изображения.Это означает, что угол наклона глаза для фокусировки на определенной области изображения приведет к тому, что разные части сетчатки будут находиться в разных состояниях световой адаптации, зависящих от изображения. Или, когда вы используете движения глаз, чтобы сосредоточиться на разных частях изображения, адаптация изменится, несмотря на то, что изображение статично. В случае видео может произойти еще больше вариаций световой адаптации, поскольку средние уровни сцен могут существенно измениться, и сетчатка будет адаптироваться соответственно. Следовательно, необходимый динамический диапазон находится где-то между SSDR и динамическим диапазоном долгосрочной адаптации.

Наше интересное приложение — просмотр мультимедиа, а не медицинские или научные приложения для визуализации. Хотя это может включать в себя контент, начиная от серьезных новостей и документальных фильмов до кинематографических фильмов, мы называем это «динамическим диапазоном развлечений» (EDR). Кроме того, эти приложения требуют определенного уровня осознания затрат, что менее актуально в научных приложениях для отображения. Приложения для видео и движущихся изображений, использующие EDR, вряд ли позволят полностью реализовать процессы адаптации из-за стоимости и, скорее всего, не потребуют их выполнения.Таким образом, использование динамического диапазона 14 log ₁₀ , который охватывает полную долговременную световую адаптацию, нереально. Тем не менее, у них действительно есть сильные временные аспекты, в которых яркость адаптации колеблется.

Чтобы проиллюстрировать необходимость того, чтобы EDR был больше, чем SSDR, на рис. 15.5 сравниваются обычные ситуации просмотра (один или несколько зрителей) с настройками просмотра в кинотеатре или дома, которые направлены на адаптацию. В этом примере показанное неподвижное изображение можно рассматривать как кадр в последовательности фильма.Темный переулок доминирует над областью изображения, но вдали от него есть яркая область, так как переулок выходит на более широкую улицу. В зависимости от того, куда может смотреть зритель, общий уровень адаптации будет разным. На фиг. 15.5A, показывающей одного зрителя, зритель может смотреть из интересующей области 1 в область 2 в ходе сцены, и световая адаптация этого зрителя будет соответственно меняться от более низкого состояния к более высокому состоянию световой адаптации. Таким образом, использование SSDR приведет к недооценке необходимости динамического диапазона этого изображения, потому что произойдет некоторая временная световая адаптация, тем самым расширив необходимый динамический диапазон.Теоретически можно спроектировать систему с айтрекером, чтобы определять, куда смотрит зритель в любой момент времени, и оценивать уровень световой адаптации, комбинируя положение трекера с известными значениями пикселей изображения. Теоретически отсюда можно определить результирующий SSDR зрителя.

Рисунок 15.5. SSDR недостаточно в реальных приложениях, таких как EDR. (A) Одиночные зрители; (B) Несколько зрителей.

Однако на изображении на рис. 15.5B показано несколько зрителей, каждый из которых смотрит на разные области.Для каждого зрителя будут возникать разные состояния световой адаптации, и, следовательно, нельзя использовать один SSDR. Даже использование айтрекеров не позволит использовать в этом случае один SSDR. Увеличение числа зрителей, конечно, усугубит эту проблему, и это распространенный сценарий. Следовательно, применимый динамический диапазон для приложений динамической / временной визуализации (например, EDR) находится между SSDR и долгосрочным динамическим диапазоном, который HVS способен воспринимать посредством адаптивных процессов.

Одним из подходов к определению верхнего предела МЭД может быть определение уровней освещенности, при которых возникает фототоксичность (общие концепции хорошо резюмированы в Youssef et al.(2011). Специальное инженерное исследование фототоксичности (Pattanaik et al., 1998) было проведено для изучения опасности синего света белых светодиодов. Последнее является проблемой, потому что зрительная система не имеет сильного рефлекса «взгляда в сторону» на коротковолновые спектральные области белых светодиодов (потому что они состоят из сильного синего светодиода с желтым люминофором). Результаты показывают, что эффекты фототоксичности проявляются при 160 000 кд / м ² и выше. Другой фактор, который следует учитывать для верхнего предела, — это не фактическое повреждение, а дискомфорт, который обычно понимается начиная с 30 000 кд / м ² (Halstead, 1993).Хорошо известная снежная слепота находится между этими двумя диапазонами. Вместо использования критериев, основанных на повреждении или дискомфорте, другой подход состоит в том, чтобы основывать верхний уровень яркости на предпочтениях, связанных с факторами качества, которые были бы еще ниже, чем уровни, связанные с дискомфортом. ⁷

Что касается нижней части яркости, то нет никаких повреждений и, вероятно, нет проблем с дискомфортом. Однако на нижний порог яркости будет влиять минимальный уровень шума конических фоторецепторов при выходе из мезопического диапазона из-за адаптации к темноте или если медиа-контент будет способствовать адаптации к этим более низким уровням яркости (например, более продолжительная сцена с очень низким ключом).Время, необходимое для адаптации к этим более низким уровням, на самом деле происходит в средствах массовой информации. График на рис. 15.6 показывает, что требуется около 6–8 минут адаптации к темноте, чтобы задействовать стержни, начиная с более высокой начальной точки яркости (Riggs, 1971).

Рисунок 15.6. Ход темновой адаптации. По Риггсу (1971).

Фоторецептор — обзор | ScienceDirect Topics

9.2.2 Сборка и обслуживание фоторецепторной ленты

Фоторецепторные ленточные синапсы содержат уникальный структурный белок RIBEYE, а также белки, обнаруженные в обычных глутаматергических синапсах, таких как RIMs, Bassoon, Munc13s, Piccolo и везикулярный переносчик глутамата 1 (VGluT1) (обзор в Lagnado and Schmitz, 2015).У мышей VGluT1 появляется на синаптических окончаниях фоторецепторов колбочек уже на P2 (Johnson et al., 2003). Основные ленточные структурные белки RIBEYE и Bassoon обнаруживаются позже около P4 – P6 и продолжают накапливаться в первые 2 постнатальные недели (Dick et al., 2003; Regus-Leidig et al., 2009). RIBEYE, Bassoon, Piccolo и RIM1 вместе образуют транспортную единицу, называемую «сфера-предшественник», которая рассматривается как первый признак ленточного синаптогенеза (Regus-Leidig et al., 2009). RIBEYE необходим для структурной целостности фоторецепторных лент, поскольку нокдаун RIBEYE у рыбок данио и мышей отменяет фоторецепторные ленты (Maxeiner et al., 2016; Ван, 2005). Транспортные единицы впоследствии закрепляются и поддерживаются в активной зоне окончаний фоторецепторов за счет скоординированного действия адгезионных молекул дистрогликана (Omori et al., 2012), белков внеклеточного матрикса пикачурина (Sato et al., 2008) и ламинина (Libby et al., 2012). al., 2000), ассоциированный с лентой белок Bassoon (Dick et al., 2003) и синаптический регуляторный белок синаптоянин (Van Epps et al., 2004; Holzhausen et al., 2009). Когда эти молекулы нокаутированы у трансгенных мышей, в триаде нарушается закрепление синаптических лент или формирование инвагинации.Кроме того, палочко-специфический адгезионный белок SynCAM1 способствует созреванию стержневых фоторецепторных лент. Потеря SynCAM1 ведет к более коротким и меньшему количеству стержневых фоторецепторных лент (Ribic et al., 2014).

Транспортировка сферы-предшественника в активную зону сопровождается экспрессией медленного инактивирующего кальциевого канала L-типа Ca _v 1,4 субъединицы Cacna1f в ленточных синаптических окончаниях (Regus-Leidig et al., 2009; Zabouri and Haverkamp, 2013). Cacna1f необходим для передачи сигналов кальция и устойчивой синаптической передачи в зрелом синапсе фоторецепторов у рыбок данио, мышей и сетчатки глаза человека (Chang et al., 2006; Цзя и др., 2014; Mansergh et al., 2005; Raven et al., 2008; Стром и др., 1998; Torben Bech-Hansen et al., 1998). Мутация гена Cacna1f человека вызывает врожденную стационарную куриную слепоту (Strom et al., 1998; Torben Bech-Hansen et al., 1998). Исследования сетчатки рыбок данио и мышей показывают, что рекрутирование и кластеризация этих кальциевых каналов требует RIBEYE (Lv et al., 2016; Maxeiner et al., 2016). Более того, кальциевые каналы L-типа играют активную роль в поддержании лент фоторецепторов.Потеря функциональных каналов Ca _v 1,4 у мутантных мышей nob2 нарушает синаптическую локализацию фагота, изменяет паттерн экспрессии PSD95 в конце фоторецептора и нарушает инвагинацию и постсинаптическое нацеливание на дендриты горизонтальных и биполярных клеток (Mansergh et al. ., 2005; Raven et al., 2008; Забури, Хаверкамп, 2013). Ca _v 1,4 мутантные мыши с повышенным притоком кальция через Ca _v 1.4 канала также демонстрируют потерю синапсов фоторецепторов (Liu et al., 2013). Следовательно, экспрессия и передача сигналов Ca _v 1.4 каналов критична для развития синапсов фоторецепторов.

Ямка у обезьяньих приматов, включая обезьян, человекообразных обезьян и человека, имеет самую высокую концентрацию фоторецепторов колбочек. В сетчатке макак и мартышек появление синапсов конической ленты и синаптических белков, таких как белок синаптических пузырьков SV2, в ямке предшествует появлению в периферической сетчатке (Crooks et al., 1995; Хендриксон, 1996; Хендриксон и др., 2009; Окада и др., 1994). У людей экспрессия синаптических маркеров в презумптивной фовеальной области обнаруживается на 8-10 неделях плода и увеличивается с 11-18 недель плода (Hendrickson and Zhang, 2019), задолго до формирования триады на 20-21 неделях плода. Однако Ca _V 1.4, который имеет решающее значение для высвобождения глутамата фоторецептора, не экспрессируется до 22 недели плода (Hendrickson and Zhang, 2019), указывая на то, что функциональный синаптический аппарат высвобождения конусов ямки, вероятно, возникает во время середины беременности.

Функциональная компартментализация фоторецепторных нейронов

8117 PMCID: PMC6936530

Сетчатка — основы неврологии

Передняя часть глаза состоит из роговицы, зрачка, радужки и хрусталика. Роговица — это прозрачная внешняя часть глаза. Он покрывает зрачок и радужную оболочку и является первым местом преломления света. Зрачок — это отверстие в радужной оболочке, через которое свет проникает в глаз.Радужная оболочка — это цветная часть глаза, которая окружает зрачок и вместе с местными мышцами может контролировать размер зрачка, чтобы обеспечить попадание в глаз необходимого количества света. Хрусталик расположен за зрачком и радужной оболочкой. Линза преломляет свет, чтобы сфокусировать изображение на сетчатке. Для правильной фокусировки требуется, чтобы линза растянулась или расслабилась, этот процесс называется аккомодацией.

Сетчатка — это светочувствительная область в задней части глаза, где расположены фоторецепторы, специализированные клетки, которые реагируют на свет.Сетчатка покрывает всю заднюю часть глаза, поэтому имеет форму чаши. В середине чаши находится ямка, область максимальной остроты зрения, то есть область, которая может формировать самые резкие изображения. Зрительный нерв проецируется в мозг из задней части глаза, неся информацию от клеток сетчатки. Там, где уходит зрительный нерв, фоторецепторы отсутствуют, поскольку аксоны нейронов сходятся вместе. Эта область называется диском зрительного нерва и является местом слепого пятна в нашем поле зрения.

Рисунок 19.1. Поперечный разрез глаза. Видимые области глаза включают роговицу, зрачок (серая область) и радужная оболочка (синяя область). Хрусталик находится за зрачком и радужной оболочкой. Сетчатка (красная линия) расположена вдоль задней части глаза. Ямка (темно-красный участок) — это небольшая часть сетчатки, где острота зрения наиболее высока, а диск зрительного нерва расположен там, где зрительный нерв (желтая область) выходит из глаза. Подробная информация о функциях каждого региона находится в тексте. «Eye Anatomy» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 Международная лицензия.

Клетки сетчатки

Помимо фоторецепторов, в сетчатке есть еще четыре других типа клеток. Синапс фоторецепторов на биполярных клетках и синапс биполярных клеток на ганглиозных клетках. Горизонтальные и амакриновые клетки обеспечивают латеральную связь между нейронами.

Рисунок 19.2. В сетчатке есть пять типов клеток. Синапс фоторецепторов на биполярных клетках и синапс биполярных клеток на ганглиозных клетках. Горизонтальные клетки обеспечивают связь между фоторецепторами за счет взаимодействия с синапсом фоторецептор-биполярная клетка, а амакринные клетки обеспечивают связь между биполярными клетками, взаимодействуя в синапсе биполярной клетки-ганглиозной клетки.«Retinal Neurons» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

Направление информации

Когда свет попадает в глаз и попадает на сетчатку, он должен пройти через все слои нейрональных клеток, прежде чем достигнет и активирует фоторецепторы. Затем фоторецепторы инициируют синаптическую связь обратно с ганглиозными клетками.

Рисунок 19.3. Когда свет попадает в глаз, он должен пройти через слои ганглиев и биполярных клеток, прежде чем достигнет фоторецепторов.Связь нейронов идет в противоположном направлении от фоторецепторов к ганглиозным клеткам. «Light in the Retina» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

Фоторецепторы — это специализированные рецепторы, которые реагируют на свет. Есть два типа фоторецепторов: палочки и колбочки. Жезлы более чувствительны к свету, поэтому они в первую очередь отвечают за зрение в условиях низкой освещенности, например, ночью.Колбочки менее чувствительны к свету и наиболее активны в дневных условиях. Колбочки также отвечают за цветовое зрение.

Рисунок 19.4. Палочки и колбочки имеют разный внешний вид и играют разные роли в визуальной обработке. «Rod and Cone» Кейси Хенли находится под международной лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0.

Плотность рецептора

Помимо различных зрительных функций, палочки и колбочки также распределены по сетчатке с разной плотностью.Колбочки в основном находятся в ямке, области сетчатки с наивысшей остротой зрения. Остальная часть сетчатки — это преимущественно палочки. В области диска зрительного нерва нет фоторецепторов, потому что аксоны ганглиозных клеток покидают сетчатку и формируют зрительный нерв.

Рисунок 19.5. Палочки и колбочки распределены по сетчатке разной плотности. Колбочки расположены у ямки. Стержни есть повсюду. В диске зрительного нерва отсутствуют все фоторецепторы, поскольку волокна зрительного нерва выходят из глаза в этом месте.«Retinal Receptor Density» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

Фототрансдукция

Фоторецепторы отвечают за сенсорную трансдукцию в зрительной системе, преобразуя свет в электрические сигналы в нейронах. Для наших целей, чтобы изучить функцию фоторецепторов, мы будем: A) сосредоточиться на черном и белом свете (не на цветном зрении) и B) предположить, что клетки перемещаются либо из темной области в область света, либо наоборот.

Фоторецепторы не возбуждают потенциалы действия; они реагируют на изменения света ступенчатыми рецепторными потенциалами (деполяризация или гиперполяризация). Несмотря на это, фоторецепторы по-прежнему выделяют глутамат в биполярные клетки. Количество высвобождаемого глутамата изменяется вместе с мембранным потенциалом, поэтому гиперполяризация приведет к высвобождению меньшего количества глутамата. Фоторецепторы гиперполяризуются на свету и деполяризуются в темноте. На графиках, используемых в этом уроке, стартовый мембранный потенциал будет зависеть от начальных условий освещения.

Рисунок 19.6. Фоторецепторы реагируют градуированными потенциалами при переходе от светлого к темному или наоборот. A) При переходе от темноты к свету фоторецептор будет гиперполяризован, и высвобождение глутамата уменьшится. Б) При переходе от светлого к темному фоторецептор деполяризуется, и высвобождение глутамата увеличивается. «Photoreceptor Receptor Potentials» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

В темноте фоторецептор обладает более деполяризованным мембранным потенциалом, чем «типичный» нейрон, который мы исследовали в предыдущих главах; потенциал фоторецепторной мембраны составляет примерно -40 мВ.Фоторецепторы имеют открытые катионные каналы, которые обеспечивают приток натрия и кальция в темноте. Эти каналы закрываются присутствием циклического GMP (cGMP), молекулы, важной в каскадах вторичных мессенджеров, которая присутствует в фоторецепторе в темноте.

Рисунок 19.7. В темноте фоторецептор деполяризуется из-за притока натрия и кальция через открытые ионные каналы, которые управляются цГМФ. Фоторецептор имеет высокий уровень цГМФ, когда он находится в темноте. Кроме того, инактивированы белки опсина, трансдуцин G-белка и фосфодиэстераза (PDE).«Retinal Dark Current» Кейси Хенли находится под международной лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0.

Когда фоторецептор перемещается на свет, клетка гиперполяризуется. Свет попадает в глаз, достигает фоторецепторов и вызывает конформационные изменения в специальном белке, называемом опсином. Это изменение активирует G-белок, называемый трансдуцином, который затем активирует белок, называемый фосфодиэстеразой (PDE). ФДЭ расщепляет цГМФ до ГМФ, и ионные каналы, управляемые цГМФ, которые были открыты в темноте, закрываются.Уменьшение потока катионов в клетку вызывает гиперполяризацию фоторецептора.

Анимация 19.1. Свет, достигающий фоторецептора, вызывает конформационное изменение белка опсина, которое активирует трансдукцию G-белка. Трансдуцин активирует фосфодиэстеразу (PDE), которая превращает цГМФ в GMP. Без цГМФ катионные каналы закрываются, останавливая приток положительных ионов. Это приводит к гиперполяризации клетки. «Phototransduction» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 Международная лицензия. Просмотр статического изображения анимации.

Фоторецепторы синапса на биполярные клетки сетчатки. Есть два типа биполярных ячеек: ВЫКЛ и ВКЛ. Эти клетки противоположно реагируют на глутамат, высвобождаемый фоторецепторами, потому что они экспрессируют разные рецепторы глутамата. Подобно фоторецепторам, биполярные клетки не запускают потенциал действия и реагируют только постсинаптическими потенциалами.

OFF Биполярные ячейки

В биполярных клетках OFF глутамат, высвобождаемый фоторецептором, является возбуждающим.OFF биполярные клетки экспрессируют ионотропные рецепторы глутамата. В темноте глутамат, высвобождаемый фоторецептором, активирует ионотропные рецепторы, и натрий может поступать в клетку, деполяризуя мембранный потенциал. На свету отсутствие глутамата приводит к закрытию ионотропных рецепторов, предотвращая приток натрия и гиперполяризуя мембранный потенциал.

Рисунок 19.8. Фоторецепторы гиперполяризуются на свету и уменьшают количество высвобождаемого глутамата. Глутамат возбуждает в выключенных биполярных клетках, открывая ионотропные рецепторы и обеспечивая приток натрия.В темноте выключенные биполярные клетки деполяризованы, а на свету выключенные биполярные клетки гиперполяризованы. «Off Bipolar Cells» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

ON Биполярные клетки

В биполярных клетках ON глутамат, высвобождаемый фоторецептором, является ингибирующим. ON биполярные клетки экспрессируют метаботропные рецепторы глутамата. В темноте глутамат, высвобождаемый фоторецептором, активирует метаботропные рецепторы, а G-белки закрывают катионные каналы в мембране, останавливая приток натрия и кальция, гиперполяризуя мембранный потенциал.На свету отсутствие глутамата приводит к тому, что ионные каналы открываются и допускают приток катионов, что деполяризует мембранный потенциал.

Рисунок 19.9. Фоторецепторы гиперполяризуются на свету и уменьшают количество высвобождаемого глутамата. Глутамат ингибирует ON биполярные клетки, активируя метаботропные рецепторы, которые закрывают катионные каналы. В темноте биполярные клетки ON гиперполяризованы, а на свету биполярные клетки ON деполяризованы. «ON Bipolar Cells» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 Международная лицензия.

Ганглиозные клетки

OFF и ON синапс биполярных клеток на ганглиозных клетках вне центра и на центре соответственно. Ганглиозные клетки — единственный тип клеток, который отправляет информацию из сетчатки, и они также единственные клетки, которые запускают потенциалы действия. Ганглиозные клетки активируются при любом освещении, но информация о свете кодируется относительной скоростью возбуждения. Переход от темноты к свету приведет к тому, что ганглиозные клетки, находящиеся вне центра, уменьшат скорость их активации, а ганглиозные клетки, расположенные в центре, увеличат скорость их активации.

Рисунок 19.10. Переход от темноты к свету приведет к гиперполяризации всех фоторецепторов. ВЫКЛЮЧЕННЫЕ биполярные клетки также будут гиперполяризованы на свету, что приведет к снижению частоты возбуждения в смещенных от центра ганглиозных клетках. ON биполярные клетки будут деполяризоваться на свету, что приведет к увеличению скорости возбуждения ганглиозных клеток ON-центра. «Retinal Ganglion Cells» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

Каждая биполярная и ганглиозная клетка реагирует на световой раздражитель в определенной области сетчатки.Эта область сетчатки является рецептивным полем клетки. Рецептивные поля сетчатки имеют круглую форму.

Размер рецептивного поля может быть разным. Ямка имеет меньшие рецептивные поля, чем периферическая сетчатка. Размер зависит от количества фоторецепторов, которые синапсируют с данной биполярной клеткой, и количества биполярных клеток, которые синапсируют с данной ганглиозной клеткой, что также называется степенью конвергенции.

Рисунок 19.11. Размеры рецептивного поля ганглиев могут варьироваться в зависимости от расположения биполярных и ганглиозных клеток и степени конвергенции на эти клетки.Когда фоторецепторы находятся в ямке или рядом с ней (ячейка 1), рецептивные поля маленькие. В ямке каждая биполярная клетка получает сигнал только от одного фоторецептора, а затем синапсирует только с одной ганглиозной клеткой. По направлению к периферии (клетки 2 и 3) больше синапсов фоторецепторов на каждой биполярной клетке и больше синапсов биполярных клеток на каждой ганглиозной клетке, что увеличивает площадь поверхности рецептивного поля. «Retinal Receptive Field» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 Международная лицензия.

Давайте используем пример биполярной клетки ON, чтобы посмотреть на структуру рецептивных полей в сетчатке. Рецептивные поля биполярных и ганглиозных клеток делятся на две области: центральную и окружающую. Центр рецептивного поля является результатом прямой иннервации между фоторецепторами, биполярными клетками и ганглиозными клетками. Если световое пятно покрывает центр рецептивного поля, включенная биполярная клетка будет деполяризоваться, как обсуждалось выше; свет попадает на фоторецептор, он гиперполяризуется, уменьшая высвобождение глутамата.Меньшее количество глутамата приводит к меньшему ингибированию биполярной клетки ON, и она деполяризуется.

Рисунок 19.12. Фоторецептор в центре рецептивного поля включенной биполярной клетки перемещается из темноты в свет. Фоторецептор будет гиперполяризован, а биполярная ячейка ON деполяризуется. Красные стрелки показывают прямую синаптическую связь от фоторецептора к биполярной клетке ON. «Light in Center» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

Окружающая часть рецептивного поля является результатом непрямой коммуникации между нейронами сетчатки через горизонтальные и амакриновые клетки. Окружение также оказывает противоположное влияние на биполярные или ганглиозные клетки по сравнению с влиянием центральной области. Если световое пятно покрывает окружающий участок, включенная биполярная ячейка ответит гиперполяризацией. Свет вызовет гиперполяризацию фоторецептора в окружающем пространстве. Это приведет к гиперполяризации горизонтальной клетки. Горизонтальные клетки обладают тормозящими синаптическими эффектами, поэтому гиперполяризация горизонтальной клетки приведет к деполяризации центрального фоторецептора.Тогда центральный фоторецептор вызовет гиперполяризацию в биполярной ячейке ON. Эти эффекты имитируют эффекты, видимые, когда центр находится в темноте. Таким образом, даже если центральный фоторецептор напрямую не испытывает изменения условий освещения, нейроны реагируют так, как будто они движутся в сторону темноты.

Рисунок 19.13. Фоторецептор в окружении рецептивного поля включенной биполярной клетки перемещается из темноты в свет. Фоторецептор будет гиперполяризован, а постсинаптическая горизонтальная клетка будет гиперполяризована.Это приведет к деполяризации центрального фоторецептора и гиперполяризации ON биполярной клетки. Красные стрелки показывают непрямую синаптическую связь между фоторецептором объемного звучания и биполярной клеткой ON. Окружающий фоторецептор синапсирует с горизонтальной ячейкой, которая синапсирует с центральным фоторецептором, который синапсирует с биполярной ячейкой. «Light in Surround» Кейси Хенли находится под международной лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0.

Центрально-объемная структура рецептивного поля имеет решающее значение для возникновения латерального торможения. Боковое торможение — это способность сенсорных систем улучшать восприятие краев стимулов. Важно отметить, что фоторецепторы, которые находятся в окружении одной биполярной клетки, также могут быть в центре другой биполярной клетки. Это приводит к прямому синаптическому эффекту на одну биполярную клетку, а также к косвенному влиянию на другую биполярную клетку.

Рисунок 19.14.Край светового стимула перемещается в область рецептивного поля, окружающего ON биполярную ячейку B. Этот край также падает на центр рецептивного поля ON биполярной ячейки C. Свет вызовет деполяризацию биполярной ячейки C из-за прямого синапса с фоторецептор. Свет также вызовет гиперполяризацию биполярной ячейки B из-за непрямых синапсов через горизонтальную ячейку. Эта гиперполяризация вызывает большую разность мембранных потенциалов между ячейками B и C, которая возникла бы, если бы горизонтальные ячейки отсутствовали.Большая разность мембранных потенциалов между клетками приведет к усилению восприятия между темной и светлой сторонами края. «Боковое запрещение» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

Хотя некоторые из использованных здесь изображений упростят рецептивное поле до одной клетки в центре и пары в окружении, важно помнить, что фоторецепторы покрывают всю поверхность сетчатки, а рецептивное поле является двумерным.В зависимости от уровня конвергенции биполярных и ганглиозных клеток рецептивные поля могут содержать множество фоторецепторов.

Рисунок 19.15. Рецептивные поля существуют в двух измерениях вдоль поверхности сетчатки. В зависимости от расположения рецептивного поля и степени конвергенции, которая происходит в биполярной или ганглиозной клетке, рецептивное поле может содержать множество фоторецепторов. «Поверхность сетчатки» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 Международная лицензия.

• Фоторецепторы и биполярные клетки не возбуждают потенциалы действия
• Фоторецепторы гиперполяризуются на свету
• ON биполярные клетки экспрессируют ингибирующие метаботропные рецепторы глутамата
• OFF биполярные клетки экспрессируют возбуждающие ионотропные рецепторы глутамата
• Воспринимающие поля круглые, имеют центр и окружение и различаются по размеру
• Структура рецептивного поля допускает латеральное торможение

1. Сравните и сопоставьте стержни и колбочки.
2. Сравните и сопоставьте фовеа и диск зрительного нерва.

ответы

Сетчатка — Scholarpedia

Рис. 1: Сетчатка (справа), состоящая из фоторецепторов, горизонтальных, биполярных и амакриновых клеток второго порядка и ганглиозных клеток третьего порядка, выстилает заднюю часть глаза (слева). Аксоны ганглиозных клеток проходят по поверхности сетчатки и образуют зрительный нерв, который передает визуальное сообщение другим частям мозга.Свет, сфокусированный роговицей и хрусталиком, проходит через сетчатку и улавливается фоторецепторами.

Сетчатка представляет собой тонкий (~ 0,25 мм) слой нервной ткани, выстилающий заднюю часть глаза. Это часть мозга (центральной нервной системы), смещенная в глаз во время развития. В дополнение к светочувствительным фоторецепторным клеткам — палочкам и колбочкам — сетчатка содержит четыре основных класса нейронов — горизонтальные, биполярные, амакринные и ганглиозные клетки — наряду с одним основным типом глиальных клеток — клеткой Мюллера.Нейроны организованы в три клеточных (ядерных) слоя, разделенных двумя синаптическими (плексиформными) слоями. Практически все синапсы сетчатки находятся в плексиформных слоях, и вся визуальная информация перед тем, как покинуть глаз, проходит по крайней мере через два синапса, один во внешнем плексиформном слое, а другой — во внутреннем.

Анализ визуального образа происходит в обоих плексиформных слоях. Внешний плексиформный слой (OPL) разделяет визуальную информацию на ВКЛ и ВЫКЛ и выполняет пространственный анализ типа на визуальном входе.Выходные нейроны OPL, ON- и OFF-биполярные клетки демонстрируют организацию антагонистического рецептивного поля центр-окружение. Внутренний плексиформный слой (IPL) больше связан с временными, и сложными аспектами зрительных стимулов. Многие клетки, получающие входные данные в IPL, реагируют временными ответами и очень чувствительны к движущимся стимулам. Выходные нейроны INL — ганглиозные клетки — передают визуальное сообщение остальной части мозга; одни ответы ганглиозных клеток отражают больше обработки OPL, другие — обработки IPL.

Фоторецепторы

Сетчатка большинства позвоночных содержит два основных класса фоторецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки обеспечивают зрение при тусклом свете, а колбочки функционируют при ярком свете и отвечают за цветовое зрение. Светочувствительность фоторецепторов является результатом присутствия молекул зрительного пигмента, содержащихся в специальной области клетки, называемой внешним сегментом. Один пигмент палочки, называемый родопсином, и три пигмента колбочек, которые максимально поглощают свет в красной, зеленой и синей областях спектра, находятся в сетчатке человека; виды, не относящиеся к млекопитающим, могут иметь 4 или более зрительных пигмента колбочек.

Рисунок 2: Схема последовательности событий, происходящих после поглощения кванта света зрительным пигментом родопсина. Свет инициирует превращение родопсина в сетчатку и опсин через ряд промежуточных соединений метародопсина. Метародопсин II является активным промежуточным звеном, приводящим к возбуждению фоторецепторной клетки. В конце концов, хромофор родопсина, ретиналь, отделяется от белка опсина и превращается в витамин А (ретинол). Для ресинтеза родопсина форма витамина А должна быть изменена (изомеризована) с полностью транс-на 11-цис-форму, и эта изомеризация происходит в пигментном эпителии, покрывающем рецепторы.Витамин А пополняется в глазах витамином А, поступающим из крови.

Все визуальные пигменты имеют похожий химический состав. Они состоят из двух компонентов: сетчатки (альдегид витамина А), называемой хромофором, связанной с белком опсином. Разные зрительные пигменты имеют разные опсины, и это объясняет различия в их цветовой чувствительности. Светочувствительность зрительных пигментов обусловлена ​​хромофором сетчатки. Когда молекула зрительного пигмента поглощает квант света, происходит несколько изменений конформации (формы), сначала в хромофоре, а затем в белковой (опсиновой) части молекулы.Конформационные изменения опсина приводят к ряду промежуточных продуктов, называемых метародопсинами (рис. 2), и один из них, метародопсин II, приводит к возбуждению фоторецепторной клетки через каскад молекулярных взаимодействий.

Все фоторецепторы позвоночных гиперполяризуются в ответ на свет (т.е. внутренняя часть клетки становится более негативной). Почему фоторецепторы гиперполяризуются на свету: в темноте мембрана внешнего сегмента проницаема (проницаема) для Na ⁺ .Поскольку уровни Na ​​ ⁺ выше вне клетки, чем внутри, положительно заряженные ионы Na ⁺ проникают в клетку в темноте, вызывая частичную деполяризацию клетки (т. Е. Внутренняя часть клетки более положительна, чем обычно бывает для нейронов. на отдыхе). Свет снижает проницаемость мембраны внешнего сегмента до Na ⁺ , тем самым уменьшая поток положительных ионов в клетку и заставляя внутреннюю часть клетки становиться более отрицательной (т.е. гиперполяризованной).

Ямка

У многих приматов, включая людей, некоторых птиц и рептилий, небольшая область сетчатки специализируется на зрении высокой остроты. Она называется ямкой и расположена в центре (то есть на зрительной оси глаза). Слои сетчатки под фоторецепторами смещены вбок вокруг ямки, так что свет может попадать более прямо на фоторецепторы. Это приводит к истончению сетчатки в центре, образуя так называемую фовеальную ямку. Только колбочки присутствуют в центральной области фовеа, и фовеальные конусы — самые тонкие и самые длинные фоторецепторы в сетчатке.Свободная от стержней область у человека составляет около 0,3 мм в диаметре и содержит примерно 35 000 колбочек. В ямке человека не обнаружено кровеносных сосудов, и, кроме того, в центре ямки имеется несколько колбочек, поглощающих синий цвет. Эти специализации служат для улучшения визуального разрешения ямки.

Нейроны: клеточная и синаптическая организация

Рисунок 3: (а) Схематическое изображение ленточного синапса биполярных клеток (острие стрелки) и обычного синапса амакриновых клеток (стрелка) обратно на терминал биполярной клетки (B).Один постсинаптический процесс в ленточном синапсе — это отросток амакринных клеток (A), другой — дендрит ганглиозных клеток (G), типичное расположение терминалей биполярных клеток конуса у приматов. (b) Схематический рисунок ленты и плоских / базальных синапсов, образованных концевыми точками конуса у приматов. H — горизонтальный клеточный отросток; IMB, инвагинирующий карликовый биполярный дендрит; FMB, плоский карликовый биполярный дендрит: FB, дендрит плоских биполярных клеток.

Хотя существует всего четыре основных класса нейронов сетчатки в дополнение к фоторецепторам, в каждом из этих классов существует множество типов нейронов.Сетчатка обычно имеет один тип стержневых клеток и три или четыре типа колбочек, которые максимально чувствительны к свету с разной длиной волны (например, красный, зеленый, синий свет). В большинстве сетчаток существует от трех до четырех горизонтальных типов клеток и от девяти до одиннадцати биполярных типов клеток. Типы амакриновых клеток, как правило, наиболее многочисленны, в сетчатке их насчитывается до двадцати и более. Наконец, у разных видов идентифицировано от двенадцати до пятнадцати типов ганглиозных клеток. Два типа химических синапсов были идентифицированы во всех сетчатках — ленточные синапсы, образованные фоторецепторами и биполярными терминальными окончаниями, и обычные синапсы, образованные амакриновыми и горизонтальными клетками (рис. 3).Ленточные синапсы характеризуются плотной лентообразной структурой, обнаруженной пресинаптически, которая служит конвейерной лентой для доставки синаптических везикул к пресинаптической мембране, где они связываются и высвобождают свое содержимое. Обычные синапсы характеризуются скоплением синаптических везикул, прикрепленных к мембране, с которой они связываются. Кроме того, фоторецепторы колбочки образуют необычный химический синапс, называемый плоским или базальным переходом, в основном, с биполярным соединением выключенного типа.
клетки, и, наконец, электрические синапсы наблюдаются между многими типами нейронов сетчатки.

Рисунок 4: Сводная диаграмма синаптической организации сетчатки приматов. R, стержень; C, конус, FMB, плоская сверхмаленькая биполярная ячейка; IMB, инвагинирующая карликовая биполярная клетка; H — горизонтальная ячейка; IDB, инвагинирующая диффузная биполярная клетка; РБ — стержневая биполярная ячейка; I — межклеточная клетка; А — амакриновая клетка; G — ганглиозная клетка; MG, сверхмалые ганглиозные клетки.

На рисунке 4 в очень упрощенном виде показаны клеточные и синаптические
организация сетчатки приматов. Фоторецепторы, стержни (R) и колбочки (C) обеспечивают вход в OPL, контактируя с горизонтальными клетками (H) через ленточные синапсы и биполярные клетки через ленточные или плоские / базальные синапсы.Один тип горизонтальной ячейки изображен вместе с четырьмя типами биполярных ячеек; плоские (OFF-) и инвагинирующие (ON-) сверхмалые биполярные клетки, которые контактируют с одним конусом (FMB и IMB), диффузные биполяры, которые контактируют с несколькими колбочками (IDB), и стержневые биполяры (RB), которые контактируют только со стержнями. В IPL биполярные клетки через ленточные синапсы контактируют со сверхмалыми ганглиозными клетками (MG), более крупными диффузными ганглиозными клетками (G) и амакриновыми клетками (A). Стержневые биполярные клетки контактируют с амакриновыми клетками, которые передают информацию о стержнях терминалам биполярных клеток колбочек и крупным ганглиозным клеткам.Другие амакриновые клетки контактируют со сверхмалыми биполярными окончаниями, а также с сверхмалыми и диффузными ганглиозными клетками. Наконец, особый тип амакриновой клетки, называемый интерплексиформной клеткой (I), получает входные данные в INL и передает информацию обратно в ячейки OPL (рис. 4).

Световые отклики и обработка информации сетчаткой глаза

Рисунок 5: Внутриклеточные ответы от рецепторных, горизонтальных, биполярных, амакриновых и ганглиозных клеток сетчатки грязной щенки. Дистальные нейроны сетчатки (рецепторные, горизонтальные и биполярные клетки) реагируют на освещение с устойчивыми градуированными потенциалами; проксимальные нейроны сетчатки показывают как устойчивые, так и временные потенциалы и потенциалы действия.Рецепторные, биполярные и ганглиозные клетки по-разному реагируют на центральное (точечное) и окружающее (кольцевое) освещение. Горизонтальные и амакриновые клетки обычно одинаково реагируют на точечное и кольцевое освещение; здесь показаны ответы на небольшое кольцо (250 мкм), которое стимулирует как центр, так и окружение рецептивного поля. Изображенная биполярная клетка представляет собой центрально-гиперполяризующую клетку, показанная амакриновая клетка — временная амакринная клетка, а ганглиозная клетка — нецентральная клетка. Стрелки в общем указывают, как синаптически генерируются ответы.

Дистальные нейроны сетчатки — фоторецепторы, горизонтальные и биполярные клетки — реагируют на свет устойчивыми ступенчатыми изменениями мембранного потенциала (напряжения). Большинство этих клеток также реагируют гиперполяризацией в ответ на световые стимулы — мембранный потенциал становится более отрицательным (рис. 5). Более проксимальные нейроны сетчатки реагируют на свет в основном деполяризацией — мембранный потенциал становится более положительным — и они генерируют потенциалы действия, как и большинство нейронов головного мозга. Дистальные нейроны сетчатки используют устойчивые градиентные потенциалы для передачи зрительных сигналов, вероятно, по двум причинам: 1) они имеют относительно короткие отростки и им не нужно переносить информацию на большие расстояния; следовательно, электротонического распространения потенциала вдоль клеточной мембраны достаточно для передачи информации от одного конца клетки к другому; и 2) градиентные потенциалы способны различать более широкий диапазон сигналов, чем события типа « все или ничего » (т.е. потенциалы действия).

Все фоторецепторы гиперполяризуются в ответ на свет; через свои синапсы они вызывают гиперполяризацию горизонтальных и выключенных биполярных клеток, а деполяризацию включенных биполярных клеток. Горизонтальные клетки действуют как латеральные тормозящие нейроны, устанавливая классическую организацию рецептивного поля центр-окружение, впервые заметную в биполярных клетках. Центральный ответ отражает прямой вход фоторецепторов-биполярных клеток; антагонистический объемный ответ отражает ингибирующий горизонтальный вход клеток от более дистальных фоторецепторов.В большинстве сетчаток наблюдаются два типа ответа амакриновых клеток — временный и устойчивый. Временные амакриновые клетки могут реагировать деполяризацией при включенном, выключенном или одновременно включенном и выключенном освещении. Устойчивые амакриновые клетки могут деполяризоваться или гиперполяризоваться на свету. Потенциалы действия часто наблюдаются на деполяризующих ответах амакриновых клеток.

Все ганглиозные клетки генерируют потенциалы действия, и на полное освещение наблюдаются три основных типа ответов; Ячейки ВКЛ, ВЫКЛ и ВКЛ-ВЫКЛ.Однако при зондировании сетчатки маленькими световыми пятнами обнаруживается, что организации рецептивного поля ганглиозных клеток разнообразны и сложны, отражая возбуждающие, тормозящие и модулирующие взаимодействия, происходящие в сетчатке, особенно во внутреннем плексиформном слое. Наиболее заметны контрастно-чувствительные ганглиозные клетки, находящиеся в центре, вне окружения, и клетки вне центра, окружающие клетки (рис. 6а). Недавнее исследование выявило десять подтипов ответов ганглиозных клеток в сетчатке кролика и сопоставило их с различными морфологическими типами ганглиозных клеток.Каждый из этих типов ганглиозных клеток обеспечивает более высокие зрительные центры с несколько различным представлением изображения, падающего на сетчатку. Таким образом, в сетчатке происходит большая часть визуальной обработки, масштабы которой почти наверняка не полностью осознаются.

Интригующий тип ганглиозных клеток, обнаруженных во многих сетчатках, — это чувствительные к движению клетки, которые избирательны по направлению — они хорошо реагируют, когда пятно света движется по сетчатке в одном направлении, но совсем не реагирует, когда пятно движется в противоположном. направление (рисунок 6b).Особый тип амакриновой клетки — амакриновая клетка звездообразования — участвует в генерации направленно-селективных ответов, и понимание синаптических взаимодействий, которые лежат в основе направленной избирательности в этих ганглиозных клетках, хорошо известно.

Рисунок 6: (а) Идеализированные ответы и карты рецептивного поля для центральных (вверху) и нецентральных (внизу) контрастно-чувствительных ганглиозных клеток. Рисунки слева представляют гипотетические реакции на световое пятно, представленное в центре рецептивного поля, в окружении рецептивного поля или как в центральной, так и в окружающих областях рецептивного поля.Символ + на карте рецептивного поля указывает на увеличение скорости активации клетки, то есть возбуждение; а — символ указывает на уменьшение скорострельности, то есть торможение. (б) Идеализированные ответы и карта рецептивного поля для чувствительной к направлению ганглиозной клетки. Такие клетки отвечают вспышкой импульсов как в начале, так и в конце светового пятна, присутствующего в любом месте рецептивного поля клетки. Этот ответ обозначается символом + по всей карте. Движение светового пятна через воспринимающее поле в предпочтительном направлении (открытый кружок) вызывает стрельбу из клетки, которая длится до тех пор, пока пятно находится внутри поля.Движение светового пятна в противоположном (нулевом) направлении (пустой квадрат) вызывает подавление поддерживаемой активности клетки до тех пор, пока пятно находится в пределах рецептивного поля.

Передатчики, модуляторы и рецепторы

Сетчатка, как и другие области мозга, содержит большое количество нейроактивных веществ (рис. 7). Они включают в себя оба нейротрансмиттера — вещества, которые действуют быстро и непосредственно на нейроны сетчатки, изменяя проницаемость мембраны для одного или нескольких ионов; и нейромодуляторы — вещества, которые обычно действуют медленнее, изменяя нейроны посредством внутриклеточных биохимических каскадов.Относительно немного веществ, по-видимому, служат нейротрансмиттерами сетчатки; Большинство нейроактивных веществ, высвобождаемых нейронами сетчатки (в основном амакриновыми клетками), по-видимому, имеют нейромодулирующую природу, хотя мало что известно о действии или роли большинства из этих веществ.

Рисунок 7: Нейроактивные вещества, присутствующие в нейронах сетчатки

Аминокислоты и ацетилхолин являются основными нейротрансмиттерами, используемыми в сетчатке. L-глутамат используется как фоторецепторами, так и биполярными клетками в качестве их возбуждающего передатчика, тогда как ацетилхолин используется в качестве возбуждающего нейромедиатора в IPL, главным образом амакриновыми клетками со звездообразованием.ГАМК и глицин являются основными тормозными передатчиками, используемыми в сетчатке, и считается, что 80% амакриновых клеток выделяют то или иное из этих веществ. Основная область исследования — выявление различных рецепторов / каналов, присутствующих в нейронах, которые опосредуют действия
нейротрансмиттеры / модуляторы в сетчатке. Например, ясно, что ON- и OFF-биполярные клетки и, возможно, даже горизонтальные клетки экспрессируют разные рецепторы глутамата, и то, как эти рецепторы / каналы вызывают ответы различных нейронов, становится понятным.Особенно интересная задача состоит в том, чтобы понять, как глутамат, высвобождаемый из фоторецепторных клеток, вызывает ответ ON-биполярных клеток. Были задействованы два типа молекул — метаботропный рецептор глутамата, экспрессируемый палочковыми биполярными клетками у всех видов, и рецептор, подобный переносчику, экспрессируемый биполярными клетками ON-конуса в сетчатке костистых костей.

Считается, что ряд веществ действует как нейромодулирующие агенты в сетчатке, хотя то, как они действуют, и их роль плохо изучены.Предлагаемые нейромодулирующие вещества включают ряд аминов, нейропептидов и других веществ, таких как оксид азота, ретиноевая кислота и цинк. Около дюжины нейропептидов было идентифицировано в сетчатке, в основном в амакриновых клетках, и часто они колокализованы с ГАМК. Их роль и значение совместной локализации с ГАМК неизвестны.

Из всех предложенных нейромодулирующих веществ мы больше всего знаем о роли дофамина, который, как было показано, модулирует электрические (щелевые) соединения в сетчатке и рецепторы глутамата на горизонтальных и биполярных клетках.Дофамин через циклический AMP и протеинкиназу A (PKA) изменяет проводимость многих щелевых контактов сетчатки и чувствительность некоторых рецепторов глутамата к глутамату. Также считается, что дофамин в сетчатке играет роль в установлении циркадной ритмики сетчатки и в регулировании двигательных движений сетчатки у рыб и других видов, не относящихся к млекопитающим.

Список литературы

Бейлор, Денис А. (1987) Сигналы фоторецепторов и зрение,
Исследовательская офтальмология и визуализация.28, 34-49.

Доулинг, Джон Э. (1987) Сетчатка: доступная часть мозга. Издательство Гарвардского университета.

Фрид, С. И., Мюнх, Т. А. и Верблин, Франк С. (2005) Направленный
селективность формируется на нескольких уровнях за счет латерального смещения ингибирования в сетчатке кролика. Нейрон. 46, 117-127.

Колб, Хельга, Риппс, Х. и Ву С. (ред.) (2001) Концепции и проблемы в биологии сетчатки. Амстердам: Эльзевир.

Поляк, Стивен Л. (1941) Сетчатка.Чикаго: Издательство Чикагского университета.

Родик, Роберт В. (1998) Первые шаги в видении. Сандерленд,
MA: Sinauer Associates.

Roska, Botond, Molnar, A., Werblin, Frank S. (2006) Параллель
процессинг в ганглиозных клетках сетчатки: как интеграция пространственно-временных паттернов возбуждения и торможения формирует импульсный результат, Journal of
Нейрофизиология, 95, 3810-3822.

Стерлинг П.