Samoistnie światłoczuła komórka zwojowa siatkówki - Intrinsically photosensitive retinal ganglion cell
.png)
Samoistnie światłoczułe komórki zwojowe siatkówki ( ipRGCs ), zwany również światłoczułe komórki zwojowe siatkówki ( pRGC ) lub zawierające melanopsyna-Komórki zwojowe siatkówki ( mRGCs ), to rodzaj z neuronów w siatkówce w u ssaków . Obecność ipRGCs po raz pierwszy zauważono w 1923 roku, kiedy myszy bez pręcików i stożków nadal reagowały na bodziec świetlny poprzez zwężenie źrenic, co sugeruje, że pręciki i czopki nie są jedynymi światłoczułymi neuronami w siatkówce. Dopiero w latach 80. nastąpił postęp w badaniach nad tymi komórkami. Ostatnie badania wykazały, że te komórki zwojowe siatkówki , w przeciwieństwie do innych komórek zwojowych siatkówki, są z natury światłoczułe ze względu na obecność melanopsyny , białka wrażliwego na światło. Stanowią więc obok komórek pręcików i czopków trzecią klasę fotoreceptorów .
Przegląd
.png)
W porównaniu z pręcikami i stożkami, ipRGC reagują wolniej i sygnalizują obecność światła w dłuższej perspektywie. Stanowią one bardzo mały podzbiór (~1%) komórek zwojowych siatkówki. Ich role funkcjonalne nie tworzą obrazu i zasadniczo różnią się od tych związanych z widzeniem wzorców; zapewniają stabilną reprezentację natężenia światła otoczenia. Pełnią co najmniej trzy podstawowe funkcje:
- Odgrywają one ważną rolę w synchronizowaniu rytmów dobowych z 24-godzinnym cyklem światła/ciemności, dostarczając przede wszystkim informacji o długości dnia i nocy. Wysyłają informacje światła poprzez retinohypothalamic oddechowych (RHT) bezpośrednio do dobowego rozrusznika w mózgu , z jądra nadskrzyżowaniowe części podwzgórza . Fizjologiczne właściwości tych komórek zwojowych odpowiadają znanym właściwościom mechanizmu dziennego porywania światła ( synchronizacji ) regulującego rytmy okołodobowe. Ponadto ipRGC mogą również wpływać na tkanki obwodowe, takie jak regeneracja mieszków włosowych poprzez obwód nerwu współczulnego SCN.
- Światłoczułe komórki zwojowe unerwiają inne cele w mózgu, takie jak centrum kontroli źrenic , oliwkowe jądro przedotrzewnowe w śródmózgowiu . Przyczyniają się do regulacji wielkości źrenic i innych reakcji behawioralnych na warunki oświetlenia otoczenia.
- Przyczyniają się do regulacji światła i ostrego hamowania uwalniania hormonu melatoniny .
- U szczurów odgrywają pewną rolę w świadomej percepcji wzrokowej, w tym postrzeganiu regularnych siatek, poziomów światła i informacji przestrzennej.
Fotoreceptywne komórki zwojowe zostały wyizolowane u ludzi, gdzie oprócz regulowania rytmu dobowego, wykazano, że pośredniczą w rozpoznawaniu światła u osób bez pręcików i stożków, cierpiących na zaburzenia fotoreceptorów pręcików i czopków. Praca Farhana H. Zaidi i współpracowników wykazała, że fotoreceptywne komórki zwojowe mogą mieć pewne funkcje wzrokowe u ludzi.
Fotopigment fotorecepcyjnych komórek zwojowych, melanopsin, jest wzbudzany przez światło głównie w niebieskiej części widma widzialnego (piki absorpcji przy ~480 nanometrach). Fototransdukcji mechanizm w tych komórkach nie jest w pełni poznany, ale wydaje się prawdopodobne, aby przypominać, że w bezkręgowych rhabdomeric fotoreceptorów. Oprócz bezpośredniego reagowania na światło, komórki te mogą otrzymywać pobudzające i hamujące wpływy od pręcików i czopków za pośrednictwem połączeń synaptycznych w siatkówce.
Aksony z tych zwojów unerwiają regiony mózgu związane z rozpoznawaniem obiektów, w tym górny wzgórek i grzbietowe jądro kolankowate boczne .
Struktura
receptor ipRGC
Te fotoreceptorowe komórki rozchodzą się zarówno przez siatkówkę, jak i mózg. Zawierają one fotopigmentową melanopsynę w różnych ilościach wzdłuż błony komórkowej, w tym na aksonach aż do tarczy nerwu wzrokowego, somie i dendrytach komórki. ipRGC zawierają receptory błonowe dla neuroprzekaźników glutaminianu, glicyny i GABA . Światłoczułe komórki zwojowe reagują na światło poprzez depolaryzację, zwiększając w ten sposób szybkość, z jaką wyzwalają impulsy nerwowe, w przeciwieństwie do innych komórek fotoreceptorowych, które ulegają hiperpolaryzacji w odpowiedzi na światło.
Wyniki badań na myszach sugerują, że aksony ipRGC są niezmielinizowane .
Melanopsyna
W przeciwieństwie do innych pigmentów fotoreceptorowych, melanopsin ma zdolność działania zarówno jako pobudliwy fotopigment, jak i jako fotoizomeraza. Zamiast wymagać dodatkowych komórek, aby cofnąć się między dwiema izoformami, z all-trans- retinalu z powrotem do 11-cis- retinalu, zanim będzie mógł przejść kolejną fototransdukcję , jak stożki fotoreceptorów , które do tej konwersji opierają się na komórkach Müllera i komórkach nabłonka barwnikowego siatkówki melanopsyna jest zdolna do izomeryzacji all-trans- retinalu do 11-cis- retinalu po stymulacji światłem bez pomocy dodatkowych komórek. Te dwie izoformy melanopsyny różnią się czułością widmową, ponieważ izoforma 11-cis- retinal jest bardziej wrażliwa na krótsze długości fal światła, podczas gdy izoforma all-trans jest bardziej wrażliwa na dłuższe fale światła.
Wejścia i wyjścia synaptyczne
Wejścia
ipRGC są zarówno pre-, jak i postsynaptyczne względem dopaminergicznych komórek amakrynowych ( komórek DA) przez wzajemne synapsy, przy czym ipRGC wysyłają sygnały pobudzające do komórek DA, a komórki DA wysyłają sygnały hamujące do ipRGC. W tych sygnałach hamujących pośredniczy GABA , który jest współuwalniany z komórek DA wraz z dopaminą . Dopamina pełni funkcje w procesie adaptacji światła poprzez zwiększanie transkrypcji melanopsyny w ipRGC, a tym samym zwiększanie wrażliwości fotoreceptorów. Równolegle z hamowaniem komórek amakrynowych DA, uwalniające somatostatynę komórki amakrynowe, same hamowane przez komórki amakrynowe DA, hamują ipRGC. Inne wejścia synaptyczne do dendrytów ipRGC obejmują dwubiegunowe ogniwa stożkowe i dwubiegunowe ogniwa pręcikowe.
Wyjścia
Jednym z postsynaptycznych celów ipRGC jest jądro nadskrzyżowaniowe (SCN) podwzgórza, które służy jako zegar dobowy w organizmie. ipRGC uwalniają zarówno białko aktywujące cyklazę adenylylową przysadki (PACAP), jak i glutaminian do SCN poprzez połączenie monosynaptyczne zwane przewodem siatkówkowo-podwzgórzowym (RHT). Glutaminian ma pobudzający wpływ na neurony SCN, a PACAP wydaje się wzmacniać działanie glutaminianu w podwzgórzu.
Inne postsynaptyczne cele ipRGC obejmują: międzygenticulate listek (IGL), skupisko neuronów zlokalizowane we wzgórzu, które odgrywają rolę w okołodobowym porwaniu; jądra oliwkowego (OPN), skupisko neuronów w śródmózgowiu, które kontroluje odruch światła źrenic; brzuszno-boczne jądro przedwzrokowe (VLPO), zlokalizowane w podwzgórzu i jest ośrodkiem kontroli snu; jak również do ciała migdałowatego.
Funkcjonować
Odbicie światła źrenic
Korzystając z różnych myszy z nokautem fotoreceptorów, naukowcy zidentyfikowali rolę ipRGC zarówno w przejściowej, jak i trwałej sygnalizacji odruchu światła źrenic (PLR). Przejściowy PLR występuje przy słabym lub umiarkowanym natężeniu światła i jest wynikiem fototransdukcji zachodzącej w komórkach pręcikowych , które dostarczają sygnał synaptyczny do komórek ipRGC, które z kolei przekazują informację do jądra przedotrzewnowego oliwki w śródmózgowiu . Neuroprzekaźnikiem zaangażowanym w przekazywanie informacji do śródmózgowia z ipRGC w przejściowym PLR jest glutaminian . Przy jaśniejszym natężeniu światła występuje utrzymujący się PLR, który obejmuje zarówno fototransdukcję pręcika dostarczającego dane wejściowe do ipRGC, jak i fototransdukcję samych ipRGC przez melanopsynę. Naukowcy zasugerowali, że rola melanopsyny w długotrwałym PLR wynika z jej braku adaptacji do bodźców świetlnych, w przeciwieństwie do pręcików, które wykazują adaptację. Utrzymujący się PLR jest utrzymywany przez uwalnianie PACAP z ipRGC w sposób pulsacyjny.
Możliwa rola w świadomym wzroku
Eksperymenty z ludźmi bez pręcików i stożków pozwoliły na zbadanie innej możliwej roli receptora. W 2007 roku odkryto nową rolę fotoreceptywnej komórki zwojowej. Zaidi i współpracownicy wykazali, że u ludzi fotoreceptor komórek zwojowych siatkówki przyczynia się do świadomego widzenia, a także do funkcji niezwiązanych z tworzeniem obrazu, takich jak rytmy dobowe, zachowanie i reakcje źrenic. Ponieważ komórki te reagują głównie na światło niebieskie , sugerowano, że odgrywają one rolę w widzeniu mezopowym i że stara teoria czysto dupleksowej siatkówki z widzeniem pręcikowym (ciemnym) i stożkowym (jasnym) była uproszczona. Praca Zaidiego i współpracowników z ludzkimi osobnikami bez pręcików i stożków otworzyła również drzwi do tworzenia obrazów (wizualnych) ról fotoreceptora komórek zwojowych.
Dokonano odkrycia, że istnieją równoległe drogi widzenia: jedna klasyczna oparta na pręcikach i czopkach wychodząca z zewnętrznej siatkówki, druga to elementarny wizualny detektor jasności wychodzący z wewnętrznej siatkówki. Ten ostatni wydaje się być aktywowany przez światło przed pierwszym. Klasyczne fotoreceptory również zasilają nowy system fotoreceptorów, a stałość koloru może odgrywać ważną rolę, jak sugeruje Foster.
Autorzy modelu ludzkiego bez pręcika i stożka zasugerowali, że receptor może odegrać kluczową rolę w zrozumieniu wielu chorób, w tym głównych przyczyn ślepoty na całym świecie, takich jak jaskra , choroba, która atakuje komórki zwojowe.
U innych ssaków światłoczułe zwoje okazały się odgrywać rzeczywistą rolę w świadomym widzeniu. Testy przeprowadzone przez Jennifer Ecker et al. odkryli, że szczury pozbawione pręcików i czopków były w stanie nauczyć się płynąć w kierunku sekwencji pionowych pasków, a nie równie świecącego szarego ekranu.
Światło fioletowe do niebieskiego
Większość prac sugeruje, że szczytowa czułość spektralna receptora wynosi od 460 do 484 nm. Lockley i in. w 2003 r. wykazał, że światło o długości 460 nm (niebieskie) tłumi melatoninę dwa razy bardziej niż 555 nm (zielone) światło, szczytową czułość fotopowego układu wzrokowego. W pracy Zaidiego, Lockleya i współautorów wykorzystujących człowieka bez pręcika, bez stożka, odkryto, że bardzo intensywny bodziec 481 nm prowadził do świadomej percepcji światła, co oznaczało realizację szczątkowej wizji.
Odkrycie
W 1923 Clyde E. Keeler zauważył, że źrenice ślepych myszy, które przypadkowo wyhodował, nadal reagują na światło. Zdolność myszy bez pręcików i stożków do zachowania odruchu źrenic na światło sugerowała obecność dodatkowej komórki fotoreceptorowej.
W latach 80. badania na szczurach z niedoborem pręcików i czopków wykazały regulację dopaminy w siatkówce, znanego neuromodulatora w adaptacji do światła i fotopożywce.
Badania kontynuowano w 1991 roku, kiedy Russell G. Foster i współpracownicy, w tym Ignacio Provencio , wykazali, że pręciki i czopki nie są konieczne do fotoentinhibicji, wizualnego napędzania rytmu okołodobowego , ani do regulacji wydzielania melatoniny z szyszynki za pośrednictwem pręcika. - i myszy z nokautem stożkowym. Późniejsze prace Provencio i współpracowników wykazały, że w tej fotoodpowiedzi pośredniczy fotopigmentowa melanopsin , obecna w warstwie komórek zwojowych siatkówki.
Fotoreceptory zostały zidentyfikowane w 2002 roku przez Samera Hattara , Davida Bersona i współpracowników, gdzie wykazano, że są komórkami zwojowymi wyrażającymi melanopsynę, które posiadają wewnętrzną odpowiedź na światło i są wyświetlane w wielu obszarach mózgu zaangażowanych w widzenie nie tworzące obrazu.
W 2005 roku Panda, Melyan, Qiu i współpracownicy wykazali, że fotopigment melanopsyny był pigmentem fototransdukcji w komórkach zwojowych. Dennis Dacey i współpracownicy wykazali na gatunku małpy Starego Świata, że gigantyczne komórki zwojowe wyrażające melanopsynę rzutują na jądro kolankowate boczne (LGN). Wcześniej wykazano jedynie projekcje do śródmózgowia (jądro przedodbytowe) i podwzgórza ( jądra nadskrzyżowe , SCN). Jednak wizualna rola receptora była wciąż nieoczekiwana i niesprawdzona.
Badania
Badania na ludziach
Próbowano wytropić receptor u ludzi, ale ludzie stanowili specjalne wyzwania i wymagali nowego modelu. W przeciwieństwie do innych zwierząt naukowcy nie mogli etycznie wywołać utraty pręcików i czopków ani genetycznie, ani za pomocą chemikaliów, aby bezpośrednio badać komórki zwojowe. Przez wiele lat na temat receptora u ludzi można było wyciągnąć tylko wnioski, choć czasami były one trafne.
W 2007 roku Zaidi i współpracownicy opublikowali swoją pracę na temat ludzi bez pręcików i stożków, pokazując, że ci ludzie zachowują normalne reakcje na niewizualne efekty światła. Stwierdzono, że fotoreceptor bez pręcika i czopka u ludzi jest komórką zwojową w wewnętrznej siatkówce, jak pokazano wcześniej w modelach bez pręcików bez stożka u niektórych innych ssaków. Praca została wykonana na pacjentach z rzadkimi chorobami, które wymazały funkcję fotoreceptorów klasycznych pręcików i czopków, ale zachowały funkcję komórek zwojowych. Pomimo braku pręcików lub czopków, pacjenci nadal wykazywali okołodobowe fotonaciąganie, okołodobowe wzorce zachowań, supresję melatoniny i reakcje źrenic, ze szczytowymi czułościami spektralnymi na światło środowiskowe i eksperymentalne, które pasują do fotopigmentu melanopsyny. Ich mózgi mogą również kojarzyć widzenie ze światłem o tej częstotliwości. Klinicyści i naukowcy starają się teraz zrozumieć rolę nowego receptora w chorobach człowieka i ślepocie. Samoistnie światłoczułe RGC są również zaangażowane w zaostrzanie bólu głowy przez światło podczas ataków migreny.