Микроскопия и фоторецепторы сетчатки глаза

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Зрение
Фиг.1.Трихроматизм. После повторных исследований (1966) в 2009 году работы фоторецепторов на живой сетчатке глаза бабуина в своих выводах по теме:Функциональная нейроанатомия сетчатки, Кафедра офтальмологии, Моран глазной центр, Университет штата Юта; Кафедра офтальмологии, доктор Роберт Э. Марк сформулировал принцип трихроматизма — в цветном зрении в условиях дневного освещения работают колбочки RGB (красные, зелёные, синие), (палочки серо-голубые, работают при слабом и ночном освещении и цвета не воспринимают). [1]

Микроскопия сетчатки — исследования сетчатки и её сечений с целью определения её структуры на макро- и микроуровнях, вплоть до молекулярного. Микроскопия проводится в комплексе с гистологическим и генетическим анализом структурных элементов; определеним взаимосвязей нервных клеток, экстерорецепторов сетчатки, изучением мозаики блоков фоторецепторов (рентгеноская и флюоресцентная микроскопия клеток с разрешающей способностью менее 1‒10 нм). Исследования связано в настоящее время с возможностью создания атласа связей всех типов нервных клеток сетчатки и отделов головного мозга (см. коннектомика и Human Connectome Project) на основании микроскопии живых клеток, препаратов, лабораторных животных (кроликов, голубей, черепах, крыс и др.), микроскопии сетчатки глаза и её сечений в комплексе с гистологическим и генетическим анализом структурных элементов.

История[править]

В истории остались многие наивные теории цветового зрения — концепции, объясняющие способность человека различать цвета, основанные на наблюдаемых фактах, предсказательная сила которых была невелика. Даже гениальные предположения учёных прошлого были в основном умозрительны, так как естественные науки прошлого не обладали необходимым инструментарием; не был сформирован понятийный аппарат, невозможно было провести многие критически важные эксперименты. Бурное развитие естественных наук можно отнести к ХIХ веку, когда специалисты в области биологии, химии и физики сделали огромный прорыв в естественных науках.

Рентгеноскопия сетчатки приматов в лаборатории Р.Марка[править]

Доктор Марк (R.E.Marc) Директор исследовательского центра Глаза Moran; Профессор Офтальмологии, Медицинский университет в штате Юта; Профессор неврологии, Университет Техаса / Хьюстон.

Проведенная Р.Марком ещё в 1966 году рентгеноскопия (см. фиг.1) подтверждает ранее сформулированные гипотезы о работе сетчатки, где заложены фоторецепторы колбочки, которые воспринимают, трансдукцируют основные сигналы оптического изображения перед передачей их в высшие зрительные отделы (нейронные) головного мозга. Данная информация позволяет подтвердить основные положения трёхкомпонентной теории цветного зрения (которая во многом не совпадает с нелинейной моделью цветного зрения С. Ременко).

Фиг.1. Структура сетчатки глаза (у приматов) впервые получена в лаборатории доктора Марка в 1966 году и повторно на живых клетках в 2009 году. На фиг.1 получены три вида колбочек: (R-красные, G-зелёные, B-синие), участвующие в дневном, цветном зрении. (Доказан принцип трихроматизма цветного зрения).[2]

В настоящее время уже вообще не стоит вопрос о невозможности восприятии цвета в сетчатке блоками из трёх типов колбочек (R.Marc, 2009).,[3][4] Группа учёных Лаборатории Марка уже работают над созданием атласа основных нервных клеток сетчатки и отделов головного мозга, на основании микроскопии их у кроликов и крыс. При этом используется разработанная мощная программа обработки данных современных микроскопов и компьютерных систем. При этом открывается возможность визуально анализировать работу здоровых и больных клеток с целью лечения целого ряда болезней (слепота, дальтонизм и др.).,.[5][6]

Что важно, на фотоснимке рентгеноскопии одного срезов сетчатки видно расположение, мозаику основных фоторецепторы колбочек и палочек их связи с нейронами сетчатки и между собой и самое важное видна их работа в процессе видения в условиях дневного и сумеречного зрения при создании оптического изображения в сетчатке глаза, а также в зрительных отделах головного мозга.

В итоге микроскопии, рентгеноскопии дивых срезов сетчатки получено, что в условиях дневного освещения работают колбочки, в условиях сумеречного и ночного освещения работают палочки. (См. Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза).

Флюоресцентная наноскопия сетчатки глаза птиц[править]

На основании срезов живой сетчатки (слои сечений толщиной 10мкм) впервые были получены данные гистологического исследования сечений колбочек, палочек и нейронов сетчатки птичьего глаза (2007). Их исследование проводилось с помощью лабораторного флюоресцентного наноскопа с получением цветных стереофотографий.

На рис. 1 показаны:

  • (A) — липофильные капельки окрашены приблизительно, в соответствии с их видом в проходящем свете. Палочки и и один двойник двойных колбочек испытывают недостаток в липидных капельках.
  • (A) — окрашенное гематоксилин-эозином сечение сетчатки цыпленка показана справа. Рисунок получен на данных микроскопии палочек и колбочек у птиц в плоскости среза Ramуn y Cajal.[7]RPE и относится к сетчатке глаза эпителия пигмента; ONL — внешний ядерный слой; INL — внутренний ядерный слой; GCL — слой клетки нервного узла.
  • (B) — изображение в проходящем свете en:flatmounted P15 (номер рассматриваемых сечений сетчатки) стороны колбочек в сетчатке цыпленка. Рассматривался в срезах с шагом 10мкм, с помощью флюоресцентного микроскопа. Наноскоп (микроскоп с большим разрешением) — лабораторная оптическая система для получения увеличенных изображений малых объектов с разрешающей способностью 1‒10нм, с использованием различного характера свечения малых структурных элементов объекта под действием возбуждающего лазерного облучения. Микроскоп используется для исследования частиц, живых клеток, вплоть до молекул, с выдачей оцифрованных цветных в 3D пространстве стереизображений на экран монитора.
  • (С) — Свечение синим цветом у колбочек, вызванное действием ультрафиолетовых лучей (327 нм); коротковолновая флюоресценция.
  • (D) — Свечение зелёным цветом, вид колбочек под действием синего света (460—490 нм).
  • (E) — Свечение красным цветом, вид колбочек под действием зелёного света (529—550 нм) .
  • (G) — Переведенные в цифровую форму версии области, показанные на фото (B).

Дополнительно зеленые колбочки и двойные колбочки также флюоресцируют при освещении их синим светом. Только красные колбочки флюоресцируют под действием зеленого луча.

  • (F) — Таблица, суммирующая появление липофильных капелек у цыпленка, в проходящем свете, и флуоресцентное освещение.
Рис.1 Капля масла (жировые или нефтяные капельки) определяют классификацию фоторецепторов колбочек цыпленка.

Открытие фоторецептора ipRGC[править]

В 2007 году было обнаружено,[8] что в области сетчатки, где расположены ганглионарные нейроны, залегающие в глубине сетчатки, расположен особый тип нервных клеток, фоторецепторы ганглиозного слоя сетчатки ipRGC. Эти клетки функционально связанны с палочками, колбочками и мозгом, они частично обуславливают реакцию на воздействие коротковолновой части спектра (460‒484 нм), непосредственно не лежащие в фокальной поверхности колбочек и палочек (см. рис.2, 4), которые рефлекторно связанны прямой и обратной связью с палочками и колбочками, и сквозь слой нервных волокон, с мозгом. Потому свет, прежде чем попасть на светочувствительные элементы внешних мембран палочки и колбочки, должен пройти через слой ганглиозных нейронов ipRGC, которые одновременно являются дополнительным светофильтром, отсекающим губительное для тканей и рецепторов проникновение ультрафиолетовых лучей из УФ области спектра. Пигмент меланопсин (версия Миг), чувствительный к фиолетово-синему участку спектра, благодаря связям с колбочками, палочками и мозгом, через фоторецепторы ipRGC участвует в работе колбочек и палочек, и в восприятии лучей S, а также в случае прямого попадания солнечных лучей и лучей электродуговой сварки в глаз мгновенным закрыванием ресниц, а также подавлением функции восприятия фиолетово-синих лучей мембраной колбочек и палочек в оппонентном отборе сине-жёлтого участка спектра. (См., например, Особенность работы S-колбочек сетчатки глаза).

Рецепторный уровень фототрансдукции нервных сигналов[править]

Фоторецепторы и нейроны сетчатки глаза

(Свет снизу)

Рис. Р.[9]

Стрелка и пунткирна линия — внешняя пограничная мембрана

Рис. 1/1. Свет сверху. Схема слоёв поперечного сечения сетчатки глаза. Область слоя ганглиозных клеток фоторецепторов ipRGC (cм. также рис.Р) — G.
Рис. 2/2. Принципиальная схема организации цветного зрения (на примере сетчатки цыплёнка).
А. Фоторецептор-колбочка. Свет проходит сквозь хрусталик и до пигментов колбочки расположенных на её «дне».
Б.1-Б.4 У птиц обычно четыре типа колбочек (они «тетрахроматы») и на рисунке видны четыре цвета, сфокусированные на внешней мембране колбочки цыплёнка на разной высоте в зависимости от цвета луча, что позволяют им синтезировать многоцветное изображение, и различать цвета лучше, чем человек. Обработка полученных разностных сигналов, происходящая в нейронной сети сетчатки (десятки типов клеток) обеспечивает возможность ясного различения тысяч цветов и оттенков.

Рецепторный уровень зрительной фототрансдукции или фототрансдукция в палочках и колбочках в сетчатке глаза — физиологический процесс создания и трансформации биохимических нервных сигналов при формировании оптического изображения в процессе зрения позвоночных животных. Процесс этот начинается от захвата фотонов сетчаткой глаза, и завершается формированием зрительных образов в зрительной коре головного мозга.[10]

Рис.1.[10]

Важное биологическое значение фоторецепторов состоит в том, что они преобразуют свет (версия Миг) (видимое электромагнитное излучение) в сигналы, которые могут стимулировать биологические процессы. Боле конкретнее, это — способность фоторецепторных белков в клетке поглощать фотоны, вызывая в клетке потенциал в том числе и мембранный потенциал.[11] (Cм. также Фотохимические реакции).

Формирование оптического изображение в процессе зрения у позвоночных животных связано с находящимися к сетчатке глаза фоторецепторных клеток — экстерорецепторов колбочек (cone), у которых во внешних мембранах находится фотопигмент Йодопсин (версия Миг) и палочек (rod) с фотопигментом родопсином. Колбочки и палочки в то же время работают при участии ганглиозных фоторецепторов ipRGC, расположенных в сетчатке вне фокальной поверхности, которые непосредственно не формируют оптическое изображение, но принимают участие в работе колбочек и палочек. Палочки специализированы для «низко-легкого» зрения. Они чрезвычайно чувствительны и могут сигнализировать поглощение одиночных фотонов. Колбочки обеспечивают видения дневного света (иллюстрация 1). Они намного менее чувствительны к свету, чем палочки, но обладают более длительным временным восприятием. Они обеспечивают цветное зрение благодаря способности колбочек воспринимать сфокусиванные на них лучи света из-за изменчивых фотопигментов у них, чувствительных к различным спектральным лучам (См. Опсины (версия Миг)).

  • Рис. 1. Светлопольные изображения фоторецептора палочки и фоторецепторов колбочки, изолированных от сетчатки саламандры. Фототрансдукция имеет место во внешней доле, в то время как эллипсоид плотно упакован mitochondria. Палочки ответственны за тусклое легкое видение, колбочки для видения яркого света.

Имеются большие достижения в понимании фототрансдукции палочки. Начиная с введения электрода всасывания, позволяющего производить запись техники при экспериментах в конце 1970-ых (Baylor и др., 1979a). Фоторецепторы человека, земноводных и относящиеся к млекопитающим (включая примата), могут быть использованы для исследоаний этим методом. Бычья сетчатка, с другой стороны, была любимой при подготовке к тому, чтобы изучить фототрансдукцию биохимиками из-за изобилия доступной ткани. Мышь, однако, стала более популярной моделью животных для исследования в прошлом десятилетии при помощи появившихся планируемых генных методов. Когда это объединено с электрофизиологией, генетика мыши обеспечивает непревзойденную власть в объяснении в естественных условиях функции ключевых белков фототрансдукции, большинство которых было выбито, сверхвыражено или видоизменено в колбочках, приводя к богатому объему информации на принципах, лежащих в основе увеличения, восстановления и адаптации фотоответов палочка/колбочка (Таблица 1, рис. 2,3).

Таблица 1.[10]

Таблица 1. Список главных белков (см. G-белки), вовлеченных в палочке мыши и фототрансдукции колбочки, которые были выбиты, сверхвыражены или mutated1 1) из-за высокого ограничения, но не все генетически проектируемые линии мыши перечислены. Для включенных только перечислены самые существенные фенотипы (в тексте дано более полное описание). 2) Arrestin4 также называют колбочкой-arrestin или X-arrestin (Gurevich и Gurevich, 2006; Никонов и др., 2008) 3) сверхвыражение RGS9‒1 было достигнуто сверхвыражением R9AP, который привел к сверхвыражению всех трех компонентов комплекса ПРОМЕЖУТКА, RGS9‒1, G_5-L и R9AP.

Сначала даётся краткое описание структуры и развития фоторецепторов мыши, сопровождаемых резюме недавних исследований фототрансдукции палочки с акцентом на информацию, подбираемой от образцов мыши. В конце, будет упомянут недавний прогресс в обучающихся колбочках мыши.

На основании опубликованных данных исследований профессора департамента офтальмологии функциональной нейроанатомии сетчатки R.E.Marcа (2009), то ещё в 1966 году при электронной, рентгеновской микроскопии сетчатки полученные данные «синих» колбочек приматов,[12] что не совападает с данными С.Ременко на базе его исследований на модели глаза (колориметре), где вместо живых ячеек (колбочек и палочек) сетчатки использованы фототранзисторы и утверждается, что в сетчатке глаза в восприятии цвета участвуют блоки только из двух фоторецепторов «палочка+колбочка» (1975). Больше того, рентгеноскопия сетчатки глаза (см. фиг.) ещё в 1966 R.E.Marcом показывает связи колбочек и палочек и фоторецепторов ipRGC, где палочки и колбочки работают независимо и просматривается трёхкомпонентая структура связей колбочек RGB и ячеек ганглиозного слоя.

При том, по мере удаления блоков от центра жёлтого пятна, центральной ямки фовеа, меняются мозаика распределения фоторецепторов, расстояние между фоторецепторами и размеры самих фоторецепторов. Например, на периферии (в зоне периферийного зрения) практически в группах одни палочки. (См., например, Центральная ямка сетчатки глаза (версия Миг)).

Также в результате флюоресценции жировых капелек колбочек, где проходят процессы формирования и накопления сигналов (цветов), посылаемых в мозг, то уже на этом этапе (в сетчатке) происходит выделение и оппонентная обработка базовых биосигналов S,M,L у человека до поступления их в зрительные отделы (нейронный уровнь) головного мозга. Т.е. выделенные базовые биосигналы S,M,L (синий, зелёный, красный) определили многокомпонентную теорию цветного зрения. Откуда, например, у человека и некоторых приматов выделяется три базовых цвета (RGB) — «трихроматизм», у птиц основные цвета (RGBV) (красный, зелёный, синий, фиолетовый) — четыре — «четырехроматизм» (см. Цветное зрение у птиц (версия Миг)).

Рис. 10;Гистология колбочек и палочек цыпленка при флюоресцентной микроскопии

Данные иссдедования (2006 год) поставили на свои места целый ряд гипотез и предположений, противоречащих одна другой. При этом сформировано общее направление трёх и более компонентной теории цветного зрения — что существует процесс трех или более компонентного восприятия цвета на 2-х уровнях: на уровне низших отдедов зрительной системы — сетчатки совместно с клетками зрительной нервной системой головного мозга (принципы оппонентного цветового зрения), которые как позже выяснилось дополняют друг друга.[13]

Рис.14a. Для трёх разновидностей колбочек (cones) дан принцип так называемого трехцветного дневного видения (трихроматиз) у приматов, который также имеется у большинства людей. Т.е. к длинным волнам чувствительны L-колбочки (красный цвет), как известно они максимально чувствительны к длинам волн максимума вокруг 559 нм, к средним волнам чувствительны M-колбочки (зелёный цвет) с пиком вокруг 531нм и к коротким волнам — S-колбочки (синий цвет) с пиком-419 нм. Палочки чувствительны к длинам волн максимума вокруг 496нм и менеее. Палочки (rod) даны точечной кривой, т.к. в цветном зрении они не участвуют (cм. также Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза).[14]

Проходящие через расположенные перед фоторецепторами капилляры лейкоциты, при просмотре в синем свете могут восприниматься как мелкие светлые движущиеся точки. Данное явление известно как энтопический феномен синего поля (или феномен Ширера)

Рис. 1a. Строение колбочки (сетчатка глаза).
1 — мембранные полудиски;
2 — митохондрия;
3 — ядро (эллипс с жировой каплей);
4 — синаптическая область;
5 — связующий отдел (перетяжка);
6 — наружный сегмент;
7 — внутренний сегмент;
8 — граница мембранной части;
9 — пигмент сократимых фибрилл.
Рис. 2b. Строение палочки сетчатки глаза:
1 — наружный сегмент (содержит мембранные диски),
2 — связующий отдел (ресничка),
3 — внутренний отдел (содержит митохондрии),
4 — осноание с нервными окончаниями,
5 — граница мембранной части,
6 — ядро,
7 — синаптическая область.

Кроме экстерорецепторных R, C (см. также рис. 1a, 2b) и фоторецепторных ганглионарных клеток в сетчатке G присутствуют и биполярные нервные клетки Bi, которые располагаясь между первыми и вторыми уровнями, осуществляют между собой контакты, а также имеющиеся горизонтальные H и амакриновые клетки A, которые осуществляют горизонтальные связи в сетчатке глаза (см. рис.Р).

Между слоем ганглионарных клеток и слоем палочек и колбочек находятся два слоя сплетений нервных волокон со множеством синаптических контактов. Это внешний плексиформный (сплетеневидный) слой OPL и внутренний плексиформный (сплетеневидный) слой IPL. В первом осуществляются контакты между палочками и колбочками посредством вертикально ориентированных биполярных клеток, во втором — сигнал переключается с биполярных на ганглионарные нейроны, а также на амакриновые клетки в вертикальном и горизонтальном направлении.

Таким образом, наружный нуклеарный слой сетчатки содержит тела фотосенсорных клеток колбочек и палочек (фокальная поверхность), внутренний нуклеарный слой содержит тела биполярных, горизонтальных и амакриновых клеток, а ганглионарный слой содержит фоторецепторы ipRGC  ганглионарные клетки сетчатки, которые своими синапсами связаны с колбочками и палочками, а также с головным мозгом, которые при помощи обратной связи управляют колбочками и палочками. Также имеется небольшое количество перемещённых амакриновых клеток. Все слои сетчатки пронизаны радиальными глиальными клетками Мюллера. При этом указанные связи клеток сетчатки между собой и фоторецепторами обеспечивают способность нашей зрительной системе осуществлять цветное зрение при дневном освещении колбочками и при сумеречном и ночном освещении — палочками.

Наружная пограничная мембрана Ax образована из синаптических комплексов, расположенных между фоторецепторным и наружным ганглионарным слоями. Слой нервных волокон образован из аксонов ганглионарных клеток. Внутренняя пограничная мембрана образована из базальных мембран мюллеровских клеток M, а также окончаний их отростков зон INL, ONL. Лишённые шванновских оболочек аксоны ганглионарных клеток, достигая внутренней границы сетчатки, поворачиваются под прямым углом и направляются к месту формирования зрительного нерва к зоне сетчатки глаза, около ямки фовеа слепого пятна.

Каждая сетчатка у человека содержит около 6—7 млн колбочек и 110—125 млн палочек. Эти светочувствительные клетки распределены неравномерно. Центральная часть сетчатки содержит больше колбочек, периферическая содержит больше палочек. В центральной части пятна в области ямки колбочки имеют минимальные размеры (с диаметром около 2‒3мкм) и мозаично упорядочены в виде компактных шестигранных блоков, но по мере центробежного удаления мозаика меняется в сторону увеличения зон блоков, в которых одноимённые колбочки, например, фиолетовые (у птиц), строго по системе равномерного распределены и также по упорядоченой системе окружаются другими колбочками.

Выводы[править]

Майкл Х.Роу, Нейробиология

В обзоре профессора, доктора философии, Университета Калифорнии, Прибрежной полосы Нейробиология Майкла Х. Роу, выдвинуто на первый план недавнее продвижение понимания трех аспектов видения цвета Trichromaticy en:Trichromacy у приматов (2002г):

  • 1) поведенческое значение trichromacy,
  • 2) развитие и генетика фотопигментов,
  • 3) относящиеся к сетчатке глаза кругообороты, которые создают красно-зеленые и синие-желтые цветные каналы в зрительном нерве.[15]

Большинство дневных позвоночных животных воспринимают видимую часть спектра в диапазоне длин волн между ~400 и ~650 нм. Естественные объекты этот диапазон длин волн не отражают их в равной пропорции, и таким образом свет в различных пунктах поперек изображения может измениться по спектральному составу так же как и интенсивность (не равномерно). Откуда, спектральное содержание естественных изображений является богатым источником информации о естественной окружающей среды обитания. Спектр чисто земных изображений может быть в виде двух основных компонентов:

  • Один компонент — представляет цветной контраст между короткими и средними длинами длин волн спектра (S-M);
  • Второй компонент — цветной контраст между средними и длинными частями длины волны спектра (M-L).

Для примата, чтобы извлечь и использовать эту информацию должна быть:

  • 1) Соответственно выбрана видимая часть соответствующей области длины волны;
  • 2) Морфология (схема) сетчатки глаза долхна приспосабливаться, воспринимать спектральную информацию и быть эффективно переданной в мозг.

Животные, приматы (включая человека), визуальные системы которых отвечают этим требованиям, наделены способностью воспринимать цвет — цветным зрением (см. Цветное зрение).[16]

См. также[править]

Примечания[править]

  1. Robert E. Marc. FNAR/ "FNAR" (PDF). Retrieved Лаборатория доктора Марка,2009.  Check date values in: |accessdate= (help)
  2. http://prometheus.med.utah.edu/~marclab/Marc_Duanes_FNAR_20080815_layout.pdf
  3. http://prometheus.med.utah.edu/~marclab/marclab_09_outreach-vision.html
  4. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/403607?dopt=Abstract
  5. http://prometheus.med.utah.edu/~marclab/marclab_09_outreach-disease.html
  6. http://www.amazon.com/Human-Eye-Structure-Function/dp/0878936459
  7. Cajal S (1995) Histology of the nervous system of man and vertebrates. New York: Oxford University Press.
  8. Zaidi FH, Hull JT, Peirson SN, Wulff K, Aeschbach D, Gooley JJ, Brainard GC, Gregory-Evans K, Rizzo JF 3rd, Czeisler CA, Foster RG, Moseley MJ, Lockley SW. Short-wavelength light sensitivity of circadian, pupillary, and visual awareness in humans lacking an outer retina. Curr Biol. 2007 Dec 18;17(24):2122‒8. http://www.current-biology.com/content/article/abstract?uid=PIIS0960982207022737
  9. http://commons.wikimedia.org/wiki/User:%D0%AE%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BD#mediaviewer/File:Retina_layers.svg
  10. а б в Yingbin Fu. ": Phototransduction and Photoreceptor Synaptic Pathways". Webvision. Retrieved 28 июня 2014.  Check date values in: |accessdate= (help)
  11. http://en.wikipedia.org/wiki/Photoreceptor_cell
  12. http://prometheus.med.utah.edu/~marclab/Marc_Duanes_FNAR_20080815_layout.pdf
  13. http://physiologyonline.physiology.org/content/17/3/93.full
  14. http://webvision.med.utah.edu/book/part-ii-anatomy-and-physiology-of-the-retina/photoreceptors/
  15. http://physiologyonline.physiology.org/content/17/3/93.full
  16. http://physiologyonline.physiology.org/content/17/3/93.full