Лаборатория Р.Е.Марка (авторская основного пространства участника Миг)

Роберт Е. Марк (R.E.Marc)

Лаборатория Роберта Е. Марка в университете штата Юта, США — научно-исследовательское отделение для исследований зрительной системы, в т.ч. коннектома (нервных связей) сетчатки, процессов обработки информации в сетчатке, передачи её от клетки к клетке, и роли соответствующих медиаторов. В лаборатории работает более 14 человек. (См. Department of Ophthalmology, Moran Eye Center, University of Utah; 65 Mario Capecchi Dr., Salt Lake City 84132 UT [email protected])

Сфера исследований

• Коннектом сетчатки.
• Визуализация, анализ изображений, современные молекулярные методы.
• Метаболомика и взаимодействие клеток.
• Компьютерное молекулярное фенотипирование (Computational molecular phenotyping, CMP)

Методы

Схема сетчатки глаза

В лаборатории используются различные методы исследований:

• неразрушающая клетки микроскопия, флюоресцентная наноскопия,
• электронная микроскопия,
• методы иммунологии и гистохимии,
• авторадиография,
• метаболическая картография.

Анатомия и физиология сетчатки

Фоточувствительные экстерорецепторф сетчатки

Фоточувствительные экстерорецепторы сетчатки — экстерорецепторы, расположенные в сетчтатке глаза, воспринимающие электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн. Фоторецепторы обеспечивают и создание оптического изображения — функцию зрения, и внешнюю коррекцию биоритмов сна и бодрствования, зависящую от общей освещённости.

Рис.1 Структура сетчатки глаза (у приматов). (R.E.Marc, 2009,)

Ультраструктура палочек и колбочек

Рис. 1a. Тонкий срез человеческой внешней сетчатки, где показаны палочки и колбочки

Рис. 1b. Электронная микрофотография палочек и колбочек сетчатки примата

Ультраструктура палочек и колбочек — структура сечения сетчатки глаза, отпрерпарированной (для электронной микроскопии) или живой сетчатки (для флюорецентной микроскопии) в плоскости, нормальной к фокальной поверхности, проходящей через центр жёлтого пятна, рассматриваемая при электронной, флюоресцентной микроскопии с разрешением 1-10 нм.

Колбочки — рецепторные клетки, встроенные в структуру сетчатки, имеющие форму, условно называемую «конической». В сетчатке они расположены в виде монослоя, ниже внешней ограничивающей мембраны (OLM). Их внутренние и внешние доли, высовываются в пигментный эпителий сетчатки глаза (Рис. 1 и 2).

На фото: вертикальные сечения (срезы) сетчатки выровнены, палочки и колбочки можно легко отличить. В foveal сетчатки, где только колбочки сконцентрированы, их тела клеток слоисты в наклонных колонках ниже внешней ограничивающей мембраны. Палочки, с другой стороны, имеющие форму цилиндра с их внутренними и внешними долями, заполняющими область между относительно большими колбочками, они соседствуют с клетками пигментного эпителия.

Внешние доли фоторецептора — мембраны

На основной части мембраны находятся места её выпячивания (evaginations), образующие внешнюю долю (o.s), которая является важной составляющей для обеспечения процессов визуализации, и содержит пигмент — как часть фоторецептора. Внешние доли палочек и колбочек являются результатом outpouching (a, рис. 5 ниже) мембраны — плазмы клетки фоторецептора в этом пункте (см. ниже) (Steinberg и др., 1980).

Зрительные пигменты и передача зрительного сигнала

Зрительные пигменты и передача зрительного сигнала (визуальная трансдукция) — комплекс понятий для описания фототрансформации пигментов и их регенерации; процессов передачи сигнала, происходящих в глазу позвоночных животных. Эти биохимические процессы проходят при воздействии света с различной длиной волны (разного цвета), связанные с изменениями в структуре и взаимодействиях зрительных пигментов, находящихся в бислойных биомембранах, во внешней доле фоторецептора (в мембране колбочек, палочек, рецепторов ipRGC).

Фагоцитоз внешних долей пигментного эпителия

Структуры дисков мембраны, содержащих зрительные молекулы фотопигмента во внешних долях фоторецепторов мембраны постоянно возобновляются. Новые диски, добавляются в основании внешней доли в реснице. (См., например, Участник:Миг/Колбочки (сетчатка)). В то же самое время старые диски перемещаются во внешней доле мембраны и зажимаются напрочь в зависимости от состояния поглощённых процессов апикального эпителия фотопигмента. Те, от которых отказываются, проведённые диски становятся известными как фагосомы в пигменте эпителиальных клеток и оказываются разрушенными путём лизиса. Фоторецептор с внешними дисками доли — функционирует (phagocytosed) в виде эпителия фотопигмента в дневном цикле. Происходит взрыв диска мембраны, пропадающего с наступлением утреннего света, который оцененивается увеличёнными числами фагосомов в эпителии пигмента с его укорочением после этого.

Различные типы колбочек

Рис. 13. Типы фоторецепторов колбочек и палочек

Различные типы колбочек — фоторецепторы сетчатки содержат фотопигменты — опсины, в зависимости от вида и структуры пигмента опсина их молекулы максимально чувствительны к длинноволновому диапазону длинам волн света («красный цвет»), средневолновому («зелёный цвет») или коротковолновому диапазону света («синий цвет»). Колбочки с различной чувствительностью к излучению соответствующего диапазона (S, M, L — синяя, зелёная, красная) (см. рис. 13) в зависимости от длины волны и последовательностью нейросетевых путей передачи сигналов в мозг, являются основой человеческого типа цветовосприятия объектов окружающей среды и создания нашего зрительного ощущения - в форме образов, формируемых оптическим изображением на сетчатке.

Морфология Булочек — колбочек-S

Рис.18 Человеческие колбочки Булочки-S

Недавно, осторожные морфологические исследования позволили учёным лаборатории Марка отличить короткую длину волны, которую вспринимает (синяя) колбочка, в отличие от средней и длинной длины волн, воспринимаемых колбочками M./L в человеческой сетчатке, при том без специального антитела, окрашивающего методы исследований (Ahnelt и др., 1987).

Таким образом, мы теперь знаем, что конусы (колбочка-S) имеют более длинные внутренние доли, которые проецируют далее в сетчатку глаза в отличие от колбочек с более длинными длин волн (M./L). Их внутренние диаметры доли не изменяются очень поперек всей сетчатки, таким образом они более жирны в foveal области, но более тонки в периферийной сетчатке, чем колбочки с более длинными длинами волн. Конусы также имеют меньший и морфологически различный pedicles, чем другие два конуса длины волны (Ahnelt и др., 1990). Кроме того, всюду по сетчатке, конусы имеют различное распределение и не вписываются в регулярную шестиугольную мозаику конусов, типичных для других двух типов. Это связано с поперечным сечением лучей электромагнитного излучения. С уменьшением длины волны (увеличением частоты и силы потока фотонов) уменьшается поперечное сечение луча. (Например, более длинные конусные заострйнные мембраны колбочек S и что интересно, палочки, чувствительные только к синим лучам в условиях малого освещения (и ночного) имеют цилиндрическую форму и размером в сечении порядка 1-1,5мкм)[Замечание необходимое].

Рис. 19 Мозаика колбочек в ямке, где S-волны или синие колбочки очевидны по размеру и плотности различия.

Это иллюстрировано в тангенциальной секции foveal мозаики конуса, где шестиугольная упаковка искажена во многих местах колбочками большего диаметра (отмеченные стрелками колбочки) разбиением прекрасной мозаики в нерегулярные субъединицы. Колбочки-S большего диаметра - Булочки. Эти колбочки имеют свою самую низкую плотность в foveal ямке в 3-5% колбочек, достигают максимальной плотности 15% на наклоне foveal (1 степень от фовеальной ямки) и затем формируются даже в 8% полного населения в другом месте в сетчатке (Ahnelt и др., 1987).

Аналогичная информация об относительных распределений M. и L — колбочек в человеческой сетчатке не легко доступна, потому что не возможно сказать о их обособленно морфологических особенностях или даже об антивизуальном окрашивании пигмента. В сетчатке обезьяны, Марке и Sperling (1977), выполнил цветную легко-зависимую гистохимическую красящую операцию на недавно вырезанных глазах обезьяны. Они нашли, что (красные) L-колбочки происходят приблизительно в 33% колбочек всюду по сетчатке, в то время как М. колбочки (зеленые) с пиком в ямке в — 64% и меняется между 52% и 59% в других местах сетчатки. Однако, другие нашли, что L-колбчки превосходят численностью М.-колбочки в ямке и perifoveal психофизических парадигмах испытаний (Гид и Nerger, 1989). Последние исследования с использованием лазерной интерферометрии (Roorda и Williams, 1999, Hofer и др. 2005), измеряя распределение красных и зелёных колбочек в живущей человеческой ямке, показывает там о значительных изменениях их количества среди людей. Некоторые имеют равное распределение L-и М. колбочек, но другие имеют большее число красных колбочек, сглаживают к отношению М. и L-колбочек как 16:1. И Roorda и Williams и Hofer и al's (1999, 2005) данные о человеке и Mollon и Bowmaker (1992) в ямке обезьяны показывают нерегулярную природу и путаницу распределения колбочек L и М.

Удельные веса палочек и колбочек в человеческой сетчатке

Для понимания организации зрительных связей для нас важно знать пространственное распределение различных типов клеток в сетчатке. Фоторецепторы, мы знаем, организованы в довольно точной мозаике. Поскольку мы видели в ямке, мозаика - шестиугольная упаковка колбочек. Вне ямки палочки разбивают близкую шестиугольную упаковку колбочек, но все еще позволяют организованную архитектуру с колбочками, скорее равномерно раздельными окруженные кольцами палочек.

Ультраструктура синаптических окончаний палочки и колбочки

Рис. 23a

Рис.23b

Работа клеток фоторецептора в сетчатке состоит в трансдукции (передаче) светового сигнала, во взаимодействии с полученным квантом света в зрительном процессе, с работой мембраны фоторецептора, содержащей пигмент внешней доли и передачи сигнала, относительно чисел квантов света и фоточувствительности к различным длинам волны, к следующей стадии интеграции (сжатии сигнала при оппонентном отборе) и обработкой его во внешнем сетевидном слое (см. Визуальная фототрансдукция).

Структура синапсов палочек и колбочек

Информация передачи от конца конуса клеток с ножки колбочки и палочки происходит как spherule. Ножки колбочек крупные, конические, у колбочки плоский конец (8-10 мкм в диаметре), аксон которых, расположен более или менее рядом, на той же плоскости, на внешней поверхности с внешним переплетенным слоя (КРП)(Рис.23а). Более многочисленная палочка spherules, в отличие от колбочек - это небольшие круглые расширения аксона (3-5 мкм в диаметре) или даже расширения клетки тела. Они лежат упакованные между и над колбочками "цветоножках" (рис. 23b). Оба фоторецептора типов синаптических окончаний наполнены синаптическими везикулами. Их синапсы второго порядка нейронов (биполярных и горизонтальных ячеек), как род spherules и ножки палочек экспонат плотной структуры, известных как synaptic лент, указывая на постсинаптические invaginated процессы. В ножке колбочек примерно 30 этих лент и они связаны с 30 триадами invaginated процессов (Ahnelt et al., 1990). У палочек spherule 2 ленты, связанные с 4 invaginated второго порядка neurites (Рис.23а). Ножка колбочки предоставляет информацию более, чем ста нейронам второго порядка (Рис.23а). Снимки, сделанные учёной Хельги Колб на живых клетка. Это логично. Связи триады трёх колбочек достигают более, чем со стами нейронами. Это ещё раз подтверждает, что палочки и колбочки работают отдельно! Данные статьи Ретиномоторная реакция фоторецепторов напрямую это показывают. Нет сомнений, что ленты 2 связей палочек несут другую нагрузку. Скорее всего при выполнении команд при работе в условиях сумеречного зрения, при расширении просвета зрачка и др.

Рис.24 Ножка колбочки сетчатки черепахи., (фото Арнальдо Ласанский)

Рис. 25. Шарик палочки черепахи.

Колбочка «триады», вставленных процессов второго порядка обычно состоит из центрального элемента, который является древовидным терминалом, вставляющейся биполярной клетки (IBC), и два боковых элемента, которые являются древовидными терминалами горизонтальных клеток (HC) (Рисунки. 24 и 27). Кроме того, другие варианты биполярной клетки имеют дендриты, устанавливающие синаптические контакты на и под поверхностью колбочки мембраны — колбочки pedicle и заключаются в том, что сначала их называли плоскими контактами (FBC) (Missotten, 1965; Dowling и Бойкот, 1966; Kolb, 1970) (рис. 27), но тогда они были лучше охарактеризованы и определены Lasansky (1971) как основные соединения (рис. 26).

Рис. 26 Ножки колбочки черепахи и типы биполярных синаптических контактов.

)Рис.27 Триада колбочки.

Шарики палочек имеют только две синаптических ленты, связанные с двумя боковыми элементами, которые являются горизонтальными терминалами аксона клетки (HC) и два центральных вставляющихся дендрита биполярных клеток палочки (rb) (Missotten, 1965; Dowling и Бойкот, 1966; Kolb, 1970). На шариках палочек нет никаких основных соединений.

Это ещё раз показывает, что палочки весьма изолированны от колбочек и других элементов сетчатки (см. рис. 23a, 23b, 24, 25, 26, 27, 28), и формула совместной работы палочек и колбочек не верна, что при цветном зрении работают совместно колбочки и палочки. На уровне показанных структур колбочек и палочек мы лишний раз видим, что этого не происходит и это согласуются с данными ретиномоторной реакции палочек и колбочек, где палочки и колбочки при зрительном процессе вместе не работают. При цветном зрении в условиях дневного освещении работают только колбочки, а палочки работают в условиях сумеречного освещения и ночью.

Приведенная информация снимков фоторецепторов палочек и колбочек на клеточном уровне живых клеток в цвете — яркое доказательство того, что принцип трихроматизма — не предполагаемый, а реально существующий.

Рис.28 Триада палочки.

Связи и соединения фоторецепторов в промежутках

Вероятно есть тропа для перекрестной связи между колбочками и колбочками, и колбочками и палочками в человеческой сетчатке. Исследование этих связей имеет принципиальное значение для основ теории трихроматизма (Трёхкомпонентная теория цветного зрения (авторская основного пространства участника Миг)), которая основана на наличии в сетчатке глаза человека и приматов трёх колбочек (красной-L, зелёной-M., синей-S) RGB, работающих индивидуально при восприятии света. При этом важно, что S-колбочки не могут функционально заменить палочки в области фиолетово-синих лучей спектра. (Тут видно основное противоречие с нелинейной теории зрения С.Ременко (1975 год).

Глутаматные рецепторы в сетчатке у позвоночных

Глутаматные рецепторы в позвоночной сетчатке — нервные клетки, которые общаются друг с другом электрически, через соединения промежутка, и химически, используя медиаторы. Химическая синаптическая передача позволяет сигналам нерва быть обмененными между клетками, которые электрически изолированы друг от друга. Химический посыльный элемент, или медиатор, обеспечивают способ послать сигнал поперек внеклеточного места, от предсинаптического нейрона до постсинаптической rktnrb. Место называют расселиной и — обычно составляют больше, чем 10 нм в поперечном направлении.

Наружный сетевидный слой сетчатки

Р.Каджал(1892)

Наружный сетевидный слой сетчатки — определенный уровень интеграции зрительной информации продолжается в первом синапсе в сетчатке, во внешнем сетевидном слое. Здесь колбочковые связи (pedicles) и «шарики» палочки являются синаптическими с различными биполярными клетками, а также с горизонтальными типами клеток.

Морфология отдельных нейронов, которые составляют сетчатку и вносят процессы для синаптического взаимодействия в сетевидных слоях, были описаны за эти годы при использовании различных анатомических методов. Руководитель среди них — определенная нервная окраска, названная в честь известного раннего итальянского neuroanatomist, Камило Голджи (1885), кто жил в конце прошлого столетия. Этот красящий метод использовался наиболее экстенсивно и с экстраординарным успехом большим испанским анатомом Рамоном y Cajal (1892).

AII Amacrine клетки

Амакриновые клетки — «AII amacrine» клетка или амакриновая клетка характеризуетс многогранной возможностью соединения и физиологией. Это уникальная функция среди amacrine клеток, в которых участвует преобладающая в вертикальном потоке информация, хотя внутренняя сетчатка, внося в это вклад, сосредотачивает механизмы не в боковых запрещающих тропах. Многослойная стратификация и синаптические партнеры показывают AII передачу управляющих сигналов палочкам и колбочкам в пределах НА - и НЕ в пределах сетчатки глаза, в тропах только во внутренней сетчатке. Эта глава суммирует морфологические и физиологические особенности клеток AII, основывающихся на данных, полученных от четырёх разновидностей млекопитающих: крыс, котов, кроликов, и обезьян.

Цветное зрение

Рис.1. Цветочная сцена с и без цвета.

Рис.9. Нейроны троп Булочки — «синей» Колбочки-S, входящей в блок RGB мозаики сетчатки, воспринимающей синие цвета в системе оппонентного отбора пары синий-жёлтый .

Цветное видение — иллюзия, созданная взаимодействиями миллиардов нейронов в нашем мозге. Во внешнем мире нет никакого цвета; это создано в соответствии с нервными программами и спроектировано на внешний мир, который мы видим. Это глубоко связано с восприятием формы, где цвет облегчает границы обнаружения объектов.

Введение

Цвет — вид ощущения, которое воспринимается зрительной системой в резултате воздействия на фоторецепторы сетчатки и нервные клетки электромагнитных излучений (отражённых и прямых), энергия которых зависит от частоты колебаний или длины волны (величина энергии прямопропорциональна частоте и обратнопропорциональна длине волны). То, как наш мозг воспринимает электромагнитные волны по длине волны (с уменьшением длины волны или увеличением частоты колебаний энергия возрастает) и затем повторно комбинирует их в цветное восприятие, - это тайна, которая интриговала учёных в течение всего времени. Мы много знаем о природе света и о субъективных впечатлениях от цвета, определимого по физическим стандартам (Мастер, 1946), но в конечном счёте красим, и нужно объяснить на уровне единственных клеток в нашем мозге. Экспертиза ответов единственных нейронов или множеств таких нейронов обеспечивает лучшие понимания в физиологии цветного зрения. В конечном счете наше понимание этого процесса позволит нам моделировать нервные кругообороты, которые лежат в основе восприятия цвета и формы. Хотя все еще это вне досягаемости, но успехи делаются в расшифровке этих умных кругооборотов, которые создают наше восприятие внешнего мира.

Началом исследований фоторецепторов — описание природы (анатомию) фоторецепторов, которые преобразовывают лёгкую (световую) энергию в нервные сигналы. Рассматриваются параллельные каналы, ведущие от сетчатки до таламуса, несущего информацию в визуальную кору, где цвет в конечном счёте определён. Наконец используется полученная информация для понимания, чтобы размышлять о том, как визуальная кора использует нервные кругообороты, чтобы создать восприятие цвета и формы.

Теории цветного зрения

Любая теория цветового видения должна предсказать все свойства зрения человека, а ткакже и других существ. В настоящее время с учётом предыдущих представлений и достижений в этой области представлятся самая приемлимая концепция системы трихроматизма и принципов оппонентного отбора цвета — оппонентная теория цветного зрения. (См. раздел "Цветовое зрение" у Питера Гоераса, для обсуждения физиологических корреляций цветового сопротивления).

Теория трихроматизма была сначала предложена Томасом Юнгом в 1802 и исследовалась далее Гельмгольцем с 1866 г.. Эта теория прежде всего основана на базе аддитивного синтеза (смешивания) основных цветов RGB и предлагает, чтобы комбинация трёх каналов объяснила все функции цветоразличения.

Выводы

Рис.2. История исследований: рисунок Каджала — одно из первых детальных изображений сетчатки: начало гистологических исследований зрительной части нервной системы позвоночных

В период 1885-1892, особенно начиная с работ по морфологии отдельных нейронов, благодаря глубоким исследованиям, на базе данных о сетчатке и зрительной системе, с использованием различных анатомических методов, и главных из них — применения определенной окраски нервных стволов и клеток в том числе сетчатки глаза, названных в честь известного итальянского гистолога, Камило Гольджи (1885), его открытия были основой для дальнейших исследований. Этот красящий метод использовался наиболее экстенсивно и с экстраординарным успехом великим испанским анатомом Рамоном Каджалом (1892).

На базе достижений Рамона Каджала (1892) (см. рис.2) удалось найти новые типы клеток. Кроме того, с появлением электронной микроскопии, гистохимической и флюоресцентной наноскопии (immunocytochemical), а также и электрофизиологической одиночной регистрации клеток и окрашивания, генетической инженерии, эти методы использованы и направлены на объяснение нервных кругооборотов в сетчатке в процессе, которые были не доступном для наших предшественников! Все описания клеток и кругооборотов, которые сделаны и продолжают развиваться в Лаборатории Р.Е.Марка и др., в настоящее время расширяются и углубляются. В последние годы также используется комбинация этих методов, и всегда с морфологическими данными Гольджи. Все исследования на живой клетке используют метод Гольджи на современном уровне. Например, флюоресцентная наноскопия (микроскопия с высоким разрешением) позволяет рассмотреть все процессы и структуру клеток и тканей на атомно-молекулярном уровне, исключая гипотетические, предполагаемые варианты работы зрительной системы при восприятии света и цвета или теории, которые выдвигаются в обход имеющимся достижениям и не согласуются с объективной и субъективной реальностью.

Одним из важных достижений Лаборатории Р.Е.Марка является открытие третьего вида колбочки-S (синей)(см. рис. 1a, 19). Это доказало принцип трихроматизма, т.е. при цветном зрении работают три вида колбочек: синяя, зелёная, красная.

См.также

• Теория трёхкомпонентного цветного зрения (авторская основного пространства участника Миг)
• Генетическая инженерия
• Ретиномоторная реакция фоторецепторов (авторская основного пространства участника Миг)