Біполярні горизонтальні і амакріновие клітини

Концепція рецептивних полів

Відповіді біполярних клітин

Структура рецептивних полів біполярних клітин

Горизонтальні клітини та інгібування периферії

Значення структури рецептивних полів біполярних клітин

Рецептивні поля гангліозних клітин

Використання дискретних зорових стимулів для визначення рецептивних полів

Організація рецептивних полів гангліозних клітин

Висновки

Література

_{Біполярні, горизонтальні і амакріновие клітини}

Загальна схема зв'язків між клітинами сітківки була складена на основі морфологічних описів Рамон-і-Кахаля: проводить шлях від фоторецепторів до гангліозних клітин за допомогою біполярних клітин, з регулюванням передачі за допомогою горизонтальних і амакрінових клітин. Виходячи зі схеми з'єднань клітин в сітківці приматів стає зрозумілим, що кінцевий вихідний сигнал є результатом складного інтегративного процесу, що відбувається в самій сітківці. Наприклад, горизонтальна клітина, показана на ріс.2D, отримує синаптичні входи від багатьох фоторецепторів і, у свою чергу, утворює з ними модулюючим зворотний зв'язок.

Рис. 1. Основні клітинні типи і з'єднання в сітківці приматів представлені тут для ілюстрації зв'язків між фоторецепторами (паличками і колбами) і гангліозними клітинами.

Рис. 2. Біполярні, горизонтальні і амакрі нові клітини. (А) Деполяризуючий біполярна клітина "оп"-центру золотої рибки з введеним флуоресцентним барвником. (В) гіперполярізуется біполярна клітина "off''-центру золотої рибки. (С) Виділена біполярна клітина з сітківки щури, пофарбована на про теінкіназу С. (D) Горизонтальна клітина акули (морської собаки) з введеною пероксидазою хрону. (Е) накопичуються індоламін амакріновая клітина з сітківки кролика з введеним барвником Lucifer Yellow.

Горизонтальні клітини також утворюють закінчення на біполярних клітинах. Аналогічно деякі амакріновие клітини (рис.2), які отримують сигнали від біполярних клітин, посилають аксони як назад на біполярні, так і на гангліозні клітини. Можна зробити висновок, що горизонтальні та амакріновие клітини здійснюють і модулюють процес передачі сигналу в сітківці. Додаткову складність створює те, що кожний з основних класів нейронів, показаних на рис.1 і 2, має безліч морфологічних і фармакологічних ^{підтипів).} За допомогою електрофізіологічних, біохімічних та анатомічних критеріїв було описано декілька основних класів біполярних клітин, більше ніж 2 типу горизонтальних клітин і принаймні 20 типів амакрінових клітин.

_{Медіатори в сітківці}

Рис. 3. Стрічкоподібні синапси, утворені терміналь фоторецептора на закінченнях біполярних і горизонтальних клітин. Пресинаптические везикули в терміналах колб (С) збудовані уздовж стрічки (R). Даний тип синапсів пристосований до постійного вивільненню квантів глутамату до біполярним (В) і горизонтальним (Н) клітинам в темряві. Через ГАМК-ергічні горизонтальні клітини здійснюється зворотний зв'язок з фоторецепторами.

У сітківці були виявлені практично всі відомі медіатори. Глутамат вивільняється фоторецепторами і біполярними клітинами. Горизонтальні клітини секретують ГАМК. Деякі амакріновие клітини секретують дофамін, інші ацетилхолін або індоламіни. Розподіл і функціональна значимість цих медіаторів, рецепторів і їх субодиниць, а також переносників сигналу були детально вивчені методами імуногістохімії та гібридизації in situ. Деякі медіатори-пептиди, наприклад VIP (вазоактивний інтестинального пептид), виявлені в оці, можуть відігравати важливу трофічну роль у розвитку зорової системи та бути пов'язані з розвитком міопії (короткозорості).

Постійне вивільнення квантів глутамату фоторецепторами в темряві здійснюється за допомогою спеціального типу нервових закінчень, званих стрічкоподібними синапсами (ribbon synapses). Приклад такого синапсу показаний на рис.3. Терміналь колбочки містить везикули, щільно пов'язані з мембраною та готові до вивільнення, які розташовані вздовж довгої плоскої органели, званої "стрічкою" (ribbon). Постсинаптическая мембрана утворена терміналами біполярних і горизонтальних клітин, які формують інвагінації на закінченнях фоторецепторів.

_{Концепція рецептивних полів}

Техніка освітлення певних зон сітківки призвела до появи такої важливої ​​концепції, як рецептивної полі, яка стала ключем до розуміння значення сигналів не тільки на рівні сітківки, але і на наступних стадіях в корі. Сам термін "рецептивної полі" був початково введений Шеррингтоном по відношенню до рефлексів і був перенесений в зорову систему Хартлайном.

Рецептивної полі нейрона зорової системи може бути визначене як зона сітківки, при падінні світла на яку може змінюватися активність даного нейрона.

Наприклад, реєстрація активності одного нейрона зорового нерва і кори кішки показала, що частота його імпульсації збільшується або зменшується, якщо змінюється освітлення над певною зоною сітківки.

Ця зона є рецептивних полем даного нейрона.

---------

Рис. 4. Карта рецептивних полів біполярних клітин, чутливих до гіперполяризації (Н). Сигнали реєструвалися на біполярної клітці сітківки золотої рибки, яка відповідала гіперполяризацією (А) на освітлення центру рецептивного поля. Висвітлення у вигляді кільця викликало деполяризацію клітини (В). Розсіяне світло слабко впливав на потенціал клітини. Для біполярної клітини, чутливою до деполяризації (D), освітлення центру рецептивного поля призводить до деполяризації, в той час як висвітлення у вигляді кільця викликає гіперполяризацію.

За визначенням освітлення за межами рецептивного поля не впливає на імпульсацію. Ця зона сама по собі може бути підрозділена на декілька різних регіонів, висвітлення деяких з яких збільшує активність, а інших пригнічує. Цей опис рецептивних полів також застосовується по відношенню до інших нейронів, таким як біполярні і горизонтальні клітки, у яких локальний відповідь змінної амплітуди викликається падінням світла на сітківку (що обговорюється далі в цьому розділі). Як буде показано далі, окремі спалахи ненаправленного світла практично даремні при оцінці функції зорової системи.

_{Відповіді біполярних клітин}

Кожна біполярна клітина отримує сигнали безпосередньо від палички або від колбочки. Клітини зазвичай отримують сигнали від 15-45 рецепторів. Існує особливий тип біполярних клітин, так звані "карликові біполяром" (midget bipolar), які отримують сигнал тільки від однієї колбочки. Логічно чекати, що більшість карликових біполяром знаходиться в області ямки, де гострота зору максимальна. Вони передають сигнали з фоторецептора на спеціальний тип гангліозних клітин. В інших відділах сітківки біполярні клітини збирають інформацію з 15-20 колб. Біполярні і горизонтальні клітини відповідають на висвітлення градуальний де - або гіперполяризацією.

Сигнали і рецептивні поля біполярних клітин залежать від двох механізмів. По - перше, постійне вивільнення медіатора в темряві сприяє підтримці ряду біполярних клітин у стані постійної деполяризації, а інших - у стані гіперполяризації, в залежності від того, які - збуджуючі або гальмівні - рецептори вони мають. По-друге, світло призводить до гіперполяризації фоторецепторів, тим самим зменшуючи викид глутамату. Зменшення постійного звільнення глутамату фоторецепторами при висвітленні приводить, відповідно, до зменшення активності біполярних клітин, що мають збудливі рецептори глутамату, тобто викликають їх гіперполяризацію. Такі клітини називаються Н-біполяром (hyperpolarizing).

Навпаки, зменшення тонічного вивільнення глутамату фоторецепторами при висвітленні останніх приводить до деполяризації тих біполярних клітин, які експресують гальмівні рецептори глутамату - це D-біполяром (depolarizing). D-біполярні клітини є одним з рідкісних типів клітин, у яких були виявлені гальмівні ефекти, опосередковувані через рецептори глутамату. Канеко з колегами показали, що даний гальмові ефект обумовлений метаботропнимі рецепторами глутамата, розташованими на мембранах біполярних клітин, які діють через G-білок і вторинні посередники, приводячи до зменшення іонної провідності. Таким чином, в темноті в результаті активації цих рецепторів іонні канали, керовані циклічними нуклеотидами на D-біполярних клітинах, закриваються (на відміну від каналів фоторецепторів). Після освітлення вивільнення глутамату зменшується, відкриваються катіонні канали, і біполярні клітини деполярізуется.

_{Структура рецептивних полів біполярних клітин}

-биполярной клетки показано на рис.4. Рецептивної полі гіперполярізуется Η-біполярної клітини показано на рис.4. Невеликий пучок світла, спрямований на центральну область поля, викликає тривалу гіперполяризацію. Висвітлення у формі кільця з темною зоною в центрі призводить до деполяризації. Таким чином, рецептивна область подібної клітини складається з різних за світлочутливості центральної зони і навколишнього її периферії. Н-біполярна клітина, показана на рис.4, може бути описана як клітина, що має рецептивне полі з "off"-центром, оскільки вона деполярізуется, коли потік світла зникає.

D-біполярна клітина має рецептивної полі схожою концентричної форми, але освітлення центру її поля призводить до деполяризації, а освітлення у формі кільця - до гіперполяризації. Через те, що вона деполярізуется, коли вмикається світло, вважається, що D-біполярна клітина має рецептивне полі з "on"-центром. Термінологія "on" - і "off"-клітинних відповідей буде активно використовуватися нами далі при описі властивостей рецептивних полів на наступних етапах зорової системи. Важливим принципом є те, що окремі фоторецептори можуть одночасно перебувати в центрі одних рецептивних полів, контрольованих "on" - або "off"-біполярної кліткою, в той же самий час будучи периферією в інших рецептивних полях.

_{Горизонтальні клітини та інгібування периферії}

-биполярных клеток при освещении периферии рецептивных зон опосредуются горизонтальными клетками. Відповіді D - і Η-біполярних клітин при висвітленні периферії рецептивних зон опосередковуються горизонтальними клітинами. Кожна горизонтальна клітина отримує інформацію від великої кількості фоторецепторів. Горизонтальні клітини, подібно Н-біполярним клітинам, відповідають на висвітлення фоторецепторів гіперполяризацією (через те, що при висвітленні зменшується виділення фоторецепторами глутамату). Іншою особливістю горизонтальних клітин є те, що вони пов'язані один з одним за допомогою електричних синапсів. Барвник люцеферовий жовтий (Lucifer yellow), введений в одну горизонтальну клітку, поширюється через щілинні контакти в інші нейрони. Таким чином, кожна горизонтальна клітина отримує вплив з великої зони сітківки, иннервируемой нею та її найближчими сусідами.

Горизонтальні клітини утворюють з біполярними і фоторецепторного клітинами гальмівні синаптичні з'єднання, в яких медіатором служить ГАМК. Таким чином, деполяризації фоторецепторів в темряві протистоїть гальмівний вплив горизонтальних клітин. Освітлення фоторецепторів призводить до гіперполяризації горизонтальних клітин, і, отже, до зменшення виділення ними ГАМК. Виходить, що гіперполяризації фоторецепторів розсіяним світлом протистоїть відповідне зменшення секреції ГАМК в синапсах між фоторецептором і горизонтальної клітиною.

Рис. 5. З'єднання між фоторецепторами біполярними і горизонтальними клітинами. биполярная клетка, как показано на рис. (А) Світло, падаючи на окрему фоторецепторного клітку, викликає її гіперполяризацію, результатом чого є припинення виділення глутамату У результаті H біполярна клітина, як показано на рис. 19.18, гіперполярізуется, зменшуючи своє збудження. (В) Світло, що падає на сусідні області у формі кільця, також призводить до того, що зменшується вивільнення глутамату фоторецепторами. У результаті відбувається гіперполяризація горизонтальної клітини, яка запобігає вивільнення нею гальмівного медіатора ГАМК на фоторецептор. -биполярный клеткой, деполяризуется (из-за уменьшения тормозного влияния), что вновь приводит к высвобождению медиатора и деполяризации биполярной клетки. Отже, фоторецептор, який з'єднаний з Η-біполярний клітиною, деполярізуется (через зменшення гальмівного впливу), що знову призводить до вивільнення медіатора та деполяризації біполярної клітини. При висвітленні розсіяним світлом процеси гіперполяризації та деполяризації гасять один одного. Таким чином, горизонтальні клітини відіграють провідні ролі для забезпечення характерних властивостей рецептивних полів біполярних клітин.

Було висловлено припущення, що певну роль тут відіграє оксид азоту, який синтезується як фоторецепторами, так і горизонтальними клітинами, які також вносять внесок у пригнічення вивільнення глутамату фоторецепторами. У результаті негативний зворотний зв'язок між фоторецепторами і горизонтальними клітинами відбувається за такою схемою: світло. > Гіперполяризація фоторецепторів> гіперполяризація горизонтальних клітин> деполяризація фоторецепторів.

З'єднання клітин у випадку центрального "on" - і периферичного "off"-відповідей біполярних клітин схематично показані на рис.5. Для простоти центральна зона представлена ​​лише одним фоторецептором, а периферія - кількома сусідніми фоторецепторами, пов'язаними з однією горизонтальною клітиною.

Сигнал у відповідь на висвітлення центрального фоторецептора очевидний (мал. 5). Активація фоторецептора призводить до його гіперполяризації і, отже, до зменшення вивільнення глутамату, що викликає гіперполяризацію біполярної клітини. Горизонтальна клітина також отримує стимули до гіперполяризації, однак, так як вони надходять лише з одного фоторецептора, вони мають невеликий ефект, що проявляється тільки у вигляді негативного зворотного зв'язку на центральний фоторецептор.

Відповіді на висвітлення периферії (ріс.5В) залучають додаткові механізми. Горизонтальна клітина, яка отримує сигнали від декількох фоторецепторів навколо центральної зони, при висвітленні гіперполярізуется. Гиперполяризация зменшує вивільнення ГАМК горизонтальними клітинами, що призводить до зменшення гальмівного впливу на фоторецептори і до їх деполяризації. Цей ефект деполяризації проявляється мінімально по відношенню до фоторецептора периферії, так як вони самі по собі гіперполярізовани освітленням. Проте центральний фоторецептор не знаходиться під освітленням, і тому єдиним впливом на нього є зменшення інгібування з боку горизонтальної клітини. -биполярной клетки. У результаті цього центральна клітина деполярізуется, збільшується вивільнення нею глутамату, що всі разом призводить до деполяризації Η-біполярної клітини. В оглядах докладно описуються властивості терминалей фоторецепторів, терминалей біполярних клітин, а також синапси зворотного зв'язку між горизонтальними і біполярними клітинами.

_{Значення структури рецептивних полів біполярних клітин}

Яке ж фізіологічне значення має така структура рецептивних полів біполярних клітин?

-биполярные клетки не просто возбуждаются в ответ на освещение. D - і Η-біполярні клітини не просто порушуються у відповідь на освітлення. Вони починають аналіз інформації про елементарні патернах світла. Сигнали біполярних клітин несуть інформацію про різні падаючих на сітківку плямах світла, оточених темним полем, або, навпаки, про темні плями, оточених світлом, тобто вони відповідають на контрастні патерни світла і темряви в маленькій області сітківки.

-биполярных клеток имеется еще около 11 типов различных биполярных клеток, связанных с колбочками, которые различаются по морфологическим и иммуногистохимическим критериям. На додаток до вже відомих нам великим категоріям D - і Η-біполярних клітин є ще близько 11 типів різних біполярних клітин, пов'язаних з колбами, які розрізняються за морфологічним і імуногістохімічним критеріям. Базуючись на них, можна отримати три основні типи клітин:

1. Пов'язані з колбами D - і Н-біполярні клітини, найкраще відповідають на дрібні плями світла або темряви.

2. -карликовые биполярные клетки центральной области сетчатки, образующие связи только с одной колбочкой. D - і Η-карликові біполярні клітини центральної області сітківки, що утворюють зв'язки тільки з однією колбочки.

3. Біполярні D-клітини, пов'язані з паличками центрального "on"-відповіді, найкраще реагують на малі яскраві світлові плями.

_{Рецептивні поля гангліозних клітин}

Еферентні сигнали сітківки.

Ще за багато років до того, як від фоторецепторів і біполярних клітин сітківки могли бути відведені електричні відповіді, важлива інформація була отримана при реєстрації сигналів від гангліозних клітин. У цих експериментах було здійснено перший аналіз вихідних сигналів в сітківці, що є результатом відбуваються там синаптичних взаємодій. Перевагою вивчення гангліозних клітин є те, що їх сигнали є потенціалами дії і функціонують за принципом "все або нічого". Тому було можливе проведення реєстрації сигналу за допомогою позаклітинного електрода в той час, коли внутрішньоклітинні електроди ще не існували і поки не були розроблені відповідні барвники. Крім того, простими та зручними для вивчення робило їх те, що відростки гангліозних клітин направляються з сітківки в ЦНС. Саме на них були вперше описані концентричні поля з "on" - і "off"-центрами. І саме вони допомогли потім зрозуміти сенс сигналів, що реєструються на горизонтальних і біполярних клітинах.

Стівен Куффлер був першим, хто виконав експериментальні дослідження зорової системи ссавців, звернувши увагу на структуру рецептивних полів та їх значення для зорової сигналізації у кішки. У його експериментах головний інтерес полягав у кінцевих результатах синаптичних взаємодій, ніж у самих синаптичних механізмах. Хьюбела згодом високо оцінив перспективи таких досліджень:

Що особливо для мене цікаво - це несподіванка результатів, оскільки ніхто до Куффлера не дійшов до припущення про існування рецептивних полів у вигляді структури "центр - периферія" і що зоровий нерв фактично ігнорує будь-який подразник у вигляді розсіяного світла будь-якої інтенсивності.

Принципово новий підхід був обумовлений не тільки новою технікою дослідження, швидше, він обумовлений чітким формулюванням наступного питання: яким чином краще всього стимулювати окрему гангліозних клітку? Відповідь на це питання привів до використання окремих кільцеподібних світлових плям для стимулювання окремих зон сітківки замість однорідного дифузного освітлення.

Рис. 6. Стимуляція сітківки за допомогою різних світлових образів. Адаптировавшиеся очі кішки або мавпи, що знаходиться під наркозом, направляють в бік кіно - чи телевізійного екрану, на якому показані різні світлові образи, які генеруються комп'ютером і / або спроектовані проектором. При цьому за допомогою електрода реєструють відповіді окремого нейрона шляхів зорового аналізатора. Світлові пучки, що виникають в певній області екрану, збільшують або зменшують частоту розрядів даного нейрона. Таким чином може бути окреслена рецептивне поле цієї клітини за допомогою визначення меж зон на екрані, подання яких викликає зміна частоти імпульсації. В оригінальних експериментах Kuffler направляв світло прямо в око за допомогою спеціально сконструйованого офтальмоскопа.

Ці дослідження передбачили піонерські роботи з дослідження ока простих безхребетних: мечохвостів Limulus і сітківки жаб.

Початковий вибір Куффлером очі кішки був вдалим: у кролика, наприклад, ситуація набагато складніша. Гангліозних клітини сітківки кролика мають рецептивні поля, тонко реагують на такі складні елементи, як краю світлового плями і певний напрям його руху. Також складні ці механізми і у нижчих хребетних, таких як жаби. Можна виявити загальну закономірність: чим дурніші тварина, тим розумніша у нього сітківка (Д. А. Бейлор, ПП).

_{Використання дискретних зорових стимулів для визначення рецептивних полів}

Головною особливістю ранніх експериментів Куффлера було використання інтактного НЕ розсіченого очі, нормальна рефракція якого використовувалася для стимуляції певних зон сітківки. Зручним методом висвітлення окремих відділів сітківки є загальна анестезія тваринного і приміщення його перед телевізійним екраном на відстані, на якому його оком здійснюється нормальна рефракція. При цьому при появі на екрані монітора окремих спалахів, що світяться патернів або створеного комп'ютером зображення воно добре фокусується на поверхні сітківки (Рис.6).

_{Організація рецептивних полів гангліозних клітин}

При реєстрації сигналів від однієї ганглиозной клітини перш за все важливо знайти межі її рецептивного поля. Характерною особливістю більшості гангліозних клітин і нейронів зорової системи є те, що вони періодично дають рідкісні розряди в спокої, навіть за відсутності освітлення. Відповідні світлові стимули не обов'язково викликають активізацію гангліозних клітин, вони можуть просто модулювати спонтанну імпульсацію; при цьому гангліозні клітини відповідають або збільшенням, або зменшенням частоти сигналів.

Рис. 7. Рецептивні поля гангліозних клітин сетчаток кішки і мавпи, згруповані в два основні класи: поля з "on" і поля з "off"-центрами. Клітини з "on"-центральними полями найбільш чутливі до плям світла, проектуються на центральну зону рецептивного поля. Освітлення (показано у вигляді смужки над сигналами) навколишнього області разом з плямою, а також висвітлення у вигляді кільця зменшують або повністю пригнічують розряди, що з'являються знову при вимиканні світла. Висвітлення всього рецептивного поля викликає слабкі відповіді через те, що центр і оточення виявляють антагоністичні ефекти разом з біполярної клітиною. Клітини з "off" центральними полями зменшують або припиняють посилати сигнали при висвітленні центральних зон їх рецептивних полів і активуються при вимиканні світла. Світло, що падає на навколишні зони рецептивних полів з "off"-центром викликає збудження нейрона.

На рис.7 показано, що для ганглиозной клітини маленьке плямочка світла 0,2 мм в діаметрі, спроектований у певну зону рецептивного поля, здатне набагато краще викликати збудження, ніж розсіяне світло. Більше того, те ж саме плямочка світла може викликати і протилежні ефекти, в залежності від його положення в межах рецептивного поля. Наприклад, одна зона плями світла збуджує гангліозних клітку протягом всього часу освітлення. Такого типу "on"-відповідь може швидко перейти в "off"-відповідь за допомогою простого змішування плями вздовж поверхні сітківки на 1 мм або менше.

Як і у випадку біполярних клітин, існують два основних типи рецептивних полів гангліозних клітин: мають рецептивні поля з "on" - і "off"-центрами. Рецептивні поля обох типів мають приблизно концентричну форму.

У разі рецептивних полів з "on"-центром світло викликає найбільш сильний відповідь у тому випадку, якщо світлове пляма повністю заповнює центр, в той час як для найбільш ефективного пригнічення імпульсації світло повинен покрити всю периферію у вигляді кільця (випадок кільцевидного освітлення зображений на рис .7). При виключенні пригнічувала активність кільцевидного освітлення гангліозна клітина відповідає додатковим "off"-розрядом. Рецептивні поля з "off"-центром мають протилежне будову: пригнічення відбувається при висвітленні центральної зони. Для обох типів зон ефекти світла на центр і на периферію антагоністичні. Таким чином, якщо і центр, і периферія одночасно висвітлюються, ефекти прагнуть погасити один одного

_{Висновки}

Палички і колбочки здатні реагувати на висвітлення яскравим і слабким світлом.

Зорові пігменти щільно упаковані в мембранах паличок і колбочок.

Передача сигналу відбувається в кілька етапів, за участю G-білка і іГМФ.

У темряві фоторецептори деполяризувати і постійно вивільняють медіатор глутамат.

Світло призводить до закриття керованих цГМФ катіонних каналів, гіперполяризації та зменшення вивільнення глутамату.

Два основні класи біполярних клітин реагують на глутамат, який вивільнюється фоторецепторами.

-биполярные клетки деполяризованы в темноте и гиперполяризуются на свету. Η-біполярні клітини деполяризувати в темряві і гіперполярізуется на світлі.

D-біполярні клітини гіперполярізовани в темряві і деполярізуется на світлі.

Рецептивні поля відповідають зоровим полях або ділянок сітківки, висвітлення яких викликає сигнали в клітинах зорової системи.

Фоторецептори, горизонтальні клітки і біполяром не здатні генерувати потенціал дії.

Гангліозні і амакріновие клітини генерують потенціал дії.

Біполярні та гангліозні клітини мають концентричні рецептивні поля, з "on" - і "off"-центрами і протилежної за функції периферією.

Гангліозних клітини погано відповідають на розсіяне світло.

Великі гангліозних клітини, відомі як magnocellular або М-клітини, мають великі рецептивні поля і добре відповідають на рух.

Малі гангліозних клітини, звані parvocellular або Р-клітини, мають невеликі рецептивні поля і здатні сприймати колір і тонкі деталі

_{Література}